Y2O3透明陶瓷力学行为的晶粒尺寸效应研究

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氧化钇(Y2O3)陶瓷由于具有优异的物理和化学特性,例如高透过率、高热导率、强耐腐蚀性等,已经被广泛地应用于原子能、航空航天、电子等领域。因此制备高致密的Y2O3陶瓷变得尤为重要。众所周知,用于获得高度透明陶瓷的具有高烧结活性的初始粉末具有一些重要特征,包括小颗粒尺寸、窄的尺寸分布、球形/近球形形状和低团聚度。小颗粒的陶瓷粉末具有大的比表面积和高的烧结活性。非球形粉末的由于缺乏曲率平坦表面将具有较低的烧结驱动力。此外,单分散粉末可以避免团聚体之间的大孔隙从而避免了最后在陶瓷中形成裂纹状空隙。此外,先进陶瓷材料普遍具有较高的高温屈服强度(例如Y2O3在1600℃>100MPa,YAG在1800℃>200MPa),使得塑性变形普遍对先进陶瓷的致密化贡献有限。因此,先进陶瓷材料在相对较低的辅助压力下(数十MPa)实现全致密化和晶粒细化面临困难和挑战。在此,我们证明了颗粒断裂和重排是在压力辅助烧结过程中促进致密化的有效策略。具体而言,通过SPS合成了由纳米棒和近球形颗粒组成的Y2O3纳米晶粉末,并在不同温度下烧结。结果表明,在600℃后,由于纳米棒在低温下断裂和重排,由纳米棒粉末制备的陶瓷的相对密度高于近球形粉末制备陶瓷的密度,这导致颗粒尺寸减小,密度和均匀性增加。基于这种新的致密化机制,利用纳米棒粉末成功制备了具有良好光学的超细晶粒Y2O3透明陶瓷。通过对比两种粉体SPS烧结后的陶瓷的密度对比,发现纳米棒状的Y2O3纳米粉体具有高的烧结活性。纳米棒Y2O3粉体制备完全致密的超细晶Y2O3透明陶瓷并探究其致密机理,这也为异形粉末制造完全致密的陶瓷提供了可行的途径。另一方面,硬度作为材料力学性能的一个重要指标,其在指导工程材料设计、选材、加工等方面具有重要指导意义。然而对于Y2O3透明陶瓷的硬度的报道很少,其次与纳米晶体金属不同,纳米晶体陶瓷中反向霍尔-佩奇行为的存在及其机制仍存在疑问。在这项工作中,通过对不同晶粒尺寸的Y2O3透明陶瓷在不同应变速率条件下(10-3-10~2)进行硬度的研究。实验结果为反霍尔-佩奇行为的存在提供了明显的证据且硬度峰值出现在18-35nm的晶粒尺寸范围。这也补足了Y2O3透明陶瓷力学性能的不足。此外,应变率敏感性的研究表明,反霍尔-佩奇行为背后的主要机制伴随着向非均匀塑性变形的转变,即通过一系列剪切带事件发生的非晶状流动。
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