Керамика на основе Al₂O₃ (алюмооксидная керамика), один из старейших представителей семейства передовых керамических материалов, обладает рядом выдающихся свойств, не имеющих аналогов среди других керамических материалов. К ним относятся низкая стоимость, высокая прочность и твёрдость, превосходная термостойкость, износостойкость и коррозионная стойкость. Алюмооксидная керамика широко используется в национальной обороне, аэрокосмической и биомедицинской промышленности.
Однако, как и у многих однофазных керамик, атомное расположение в кристаллической структуре Al₂O₃ препятствует пластической деформации, свойственной металлам. В результате при разрушении, помимо образования новых трещин, увеличивающих поверхностную энергию, рассеивание энергии практически отсутствует. Это приводит к важнейшему недостатку алюмооксидной керамики — хрупкости.
Хотя хрупкость алюмооксидной керамики принципиально сложно изменить, существуют методы её улучшения. После многих лет разработки было разработано несколько подходов к повышению её прочности, в основном за счёт введения упрочняющих фаз в керамическую матрицу.
1. Упрочнение частиц
Упрочнение частицами — один из самых простых способов повышения прочности керамики. Для Al₂O₃
В керамике упрочняющие частицы обычно представляют собой либо пластичные металлические частицы, либо неметаллические частицы с высоким модулем упругости.
Металлические частицы, выступая в роли упрочняющих фаз, повышают вязкость, главным образом, за счёт таких механизмов, как вытягивание частиц и пластическая деформация, которые вызывают деформацию трещин в матрице Al₂O₃. Кроме того, металлические частицы могут подавлять рост зерен Al₂O₃ во время спекания, улучшая его спекаемость. К распространённым металлическим частицам относятся Al, Ni, Ti, Cu и Fe.
Однако, поскольку металлические частицы, как правило, имеют более низкий модуль упругости, чем Al₂O₃, полученные композиты, как правило, обладают пониженной твёрдостью и прочностью. С другой стороны, неметаллические частицы с высоким модулем упругости, такие как SiC, Si₃N₄ и TiC, также могут повышать прочность за счёт таких механизмов, как вытягивание частиц, закрепление трещин, их деформация и перекрытие.
2. Трансформация. Усиление.
Чистый ZrO₂ (диоксид циркония) претерпевает твердофазное фазовое превращение при температуре около 1000 °C: из тетрагональной (t) в моноклинную (m) фазу. Это мартенситное превращение вызывает расширение объёма примерно на 3%–5%.
Когда трещины достигают области t-ZrO₂, поле напряжений вершины трещины вызывает зону трансформации.
В этой зоне t-ZrO₂ превращается в m-ZrO₂, поглощая энергию как от образования поверхности, так и от расширения объёма. Фазовое превращение создаёт сжимающее напряжение в вершине трещины, что способствует блокировке дальнейшего её распространения.
Это снижает коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, эффективно повышая сопротивление материала её росту. Другими словами, трансформация рассеивает внешнюю энергию, повышая вязкость разрушения.
Сочетание этого механизма с микротрещинами и упрочнением остаточными напряжениями в матрице Al₂O₃ образует керамику ZTA. Керамика ZTA (упрочненный оксид алюминия на основе циркония) демонстрирует значительно более высокую прочность по сравнению с керамикой из чистого Al₂O₃.
3. Укрепление волокон и усов
Волокна или нитевидные кристаллы могут быть введены в керамическую матрицу контролируемым образом. Эти волокна выполняют две функции:
Они помогают распределить внешнюю нагрузку, используя высокую прочность волокон или нитевидных кристаллов. Они образуют слабосвязанный интерфейс с керамической матрицей, создавая систему, поглощающую внешнюю энергию и снижающую хрупкость.
С момента своего открытия углеродные нанотрубки и графен стали передовыми темами исследований в материаловедении. Недавние исследования включали эти наноматериалы в алюмооксидную керамику и показали, что они вносят значительный вклад в повышение прочности керамической матрицы.
4 Гибридное упрочнение
По мере развития исследований в области упрочнения алюмооксидной керамики был разработан многомеханистический подход к упрочнению — гибридное упрочнение, позволяющее объединить преимущества различных отдельных методов и компенсировать их недостатки.
Эта синергетическая стратегия предполагает одновременное использование двух или более механизмов упрочнения для дальнейшего повышения общей прочности. Она привлекла широкое внимание исследователей. Распространенные гибридные комбинации упрочнения включают:
• Упрочнение частицами/усами
• Упрочнение частиц/трансформаций
• Трансформация/укрепление усов
• Графен (или углеродные нанотрубки)/частицы (или трансформация, усы)
Например, было показано, что сочетание упрочнения трансформацией ZrO₂ с армированием нитевидными кристаллами в керамике Al₂O₃ обеспечивает значительное усиление эффекта упрочнения.
5. Нанотехнологическое упрочнение
В 1987 году немецкий исследователь Карх и его коллеги впервые сообщили о том, что нанокерамика обладает высокой прочностью и низкотемпературной сверхпластичностью. Их открытия раскрыли исключительный потенциал нанокерамики и предложили новый подход к решению давней проблемы хрупкости керамики.
В 1990 году известный ученый Джон Кан заявил: «Нанокерамика — это стратегическое решение проблемы хрупкости керамики».
С одной стороны, нанокерамика характеризуется более мелким размером зерен и значительно увеличенным числом межзеренных границ. Более того, как только размеры пор и дефектов становятся ниже критического порога, они перестают влиять на макроскопическую прочность материала. В результате можно значительно повысить как прочность, так и ударную вязкость.
С другой стороны, включение наномасштабных дисперсных фаз в керамическую матрицу не только повышает прочность и ударную вязкость, но и улучшает высокотемпературную стойкость, твердость, модуль упругости и сопротивление высокотемпературной ползучести.
Таким образом, наноструктурирование и нанокомпозитные подходы стали одними из наиболее важных и перспективных стратегий для повышения вязкости разрушения алюмооксидной керамики.
6 Самозакаливающийся
Самоупрочняющаяся керамика Al₂O₃ разрабатывается путём добавления добавок или затравочных кристаллов, индуцирующих анизотропный рост равноосных зёрен Al₂O₃ в пластинчатые, стержневые или удлинённые столбчатые структуры. Механизмы упрочнения аналогичны механизмам армирования нитевидными кристаллами и включают перекрытие трещин, их деформацию и вытягивание зёрен, причём перекрытие трещин является доминирующим механизмом.
Этот подход был тщательно изучен и показал большие перспективы в плане повышения прочности алюмооксидной керамики за счет использования эволюции микроструктуры самого материала.
Эпическая Порошковая Машина
Эпическая Порошковая Машина поставляет оборудование для производства высокочистых керамических порошков, таких как оксид алюминия и циркония, с точным контролем размера частиц.
Наша технология позволяет повысить закалку керамики, гарантируя стабильное качество и помогая таким отраслям, как полупроводниковая, аэрокосмическая и биомедицинская, добиваться более высоких показателей.
