论文部分内容阅读
碳化硅(SiC)陶瓷具有优良的力学、热学、电学特性,是目前应用最广泛的结构陶瓷之一,在工业、国防、航空航天等领域已经具有广泛的应用基础。作为一种脆性陶瓷,碳化硅陶瓷材料在工程应用中的可靠性受到多方面的关注,其材料缺陷与力学性能的关系、进而与材料可靠性之间的关系的研究日益重要。目前关于碳化硅陶瓷材料缺陷与强度性能关系的研究比较零散,尤其缺乏系统性的研究,甚至没有一篇碳化硅陶瓷材料缺陷与性能关系系统性研究的文章公开发表。本论文与课题组的科研发展方向相结合,从常压固相烧结碳化硅(SSiC)及常压液相烧结碳化硅(LSiC)两种陶瓷的表面及内部缺陷的角度,系统的开展SiC陶瓷缺陷与力学性能关系的研究,将陶瓷材料缺陷的无损检测和力学性能的研究相结合,为陶瓷材料的可靠性评价提供实验基础。
表面裂纹主要通过加载维氏或努氏(Vickers或Knoop)压痕到陶瓷抛光面而获得。根据压痕应力学理论基础,SSiC陶瓷的表面维氏压痕的裂纹起始研究,得到了裂纹起始的临界条件;考察不同载荷下的裂纹类型发现,SSiC和LSiC陶瓷在10N及以上的载荷下均得到典型的半圆形裂纹;同时利用压痕法(IndentationFracture,IF)、压痕强度弯曲法(IndentationStrengthBending,ISB)以及标准的表面裂纹弯曲法SurfaceCrackFlexture,SCF)讨论了SiC陶瓷的断裂韧性及其R曲线,不同方法得到的断裂韧性结果相互印证可靠;ISB与IF方法得到的R曲线相互矛盾,可以从测试方法的角度解释,ISB方法得到的R-curve预测的力学性能与实验结果相互吻合;对不同载荷下SSiC及LSiC陶瓷的维氏硬度研究发现,10N及以上的载荷下,即半圆形裂纹时测得的硬度值均为有效值。
表面裂纹对SSiC陶瓷弯曲强度的影响,主要从裂纹的尺寸、位置及裂纹方向的角度展开讨论。通过控制加载的维氏压痕的载荷控制裂纹尺寸,分析相应的材料强度,可以得到SSiC陶瓷的表面裂纹尺寸对弯曲强度的拟合公式,该拟合公式经验证有效;控制裂纹与三点弯曲测试过程中受力点的相对距离,讨论裂纹位置对弯曲强度的影响;由于Knoop压痕特殊的形貌,通过控制Knoop裂纹与标准试条长轴的相对方向,讨论了裂纹方向对弯曲强度的影响,并得到裂纹方向对弯曲强度影响的理论模型。当SSiC表面裂纹尺寸不超过3μm时,几乎不影响材料强度;当裂纹尺寸10μm时,产生破坏性影响;当裂纹尺寸达40μm时,弯曲强度迅速降低55%,其后下降过程趋于平缓。表面裂纹的位置是影响材料强度的最重要因素,裂纹尺寸和裂纹方向对材料强度的影响程度依次降低。裂纹的位置越靠近受力中心,则其对材料强度的影响越大。裂纹倾斜角度越大,则材料强度越低。
内部缺陷是人工预埋到陶瓷体内,并通过工业CT设备进行无损检测。通过预埋的方式,控制预埋纤维的位置、方向、尺寸等因素,可以得到SSiC陶瓷的不同的内部缺陷。通过CT无损检测,发现工业CT对SiC陶瓷的内部缺陷具有很好的辨识能力。内部缺陷的位置是影响材料强度的最重要因素,内部缺陷的方向和尺寸对材料强度的影响程度依次降低。裂纹的位置越靠近表面、或受力中心,则其影响越大;位于表面的缺陷带来的强度损失最大,位于1/4厚度处的缺陷对强度的影响是相同尺寸表面缺陷影响的一半,位于1/2厚度处的缺陷对强度几乎不产生影响。裂纹方向平行于受力方向的材料强度低于垂直于受力方向的;较小尺寸的内部缺陷带来的强度损失较小,但内部缺陷尺寸差异导致的材料强度差异较小。