陶瓷/金属层状复合材料的设计及力学性能研究
陶瓷材料具有强度高、耐高温、耐磨损等优异性能，但是陶瓷材料的脆性大、韧性低而导致的使用可靠性和抗破坏能力差等问题限制了它的应用。因此，材料研究者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法。人们受自然界生物材料结构的启发，提出在脆性陶瓷中加入**相材料制备出层状复合材料，以达到提高陶瓷的韧性、改善使用性能的目的。 本工作首先理论分析了陶瓷/金属材料的残余应力，以指导后续的材料制备。然后利用水基流延和热压烧结成功制备出层厚可控的陶瓷/金属层状复合材料。讨论了陶瓷/金属层状材料的增韧机理，系统的研究了残余应力、陶瓷和金属层厚度比等因素对材料力学性能的影响。并结合**相增韧机制，成功的制备出具有较好综合力学性能的材料。此外简要研究了利用化学镀法在陶瓷基片上沉积金属薄层及利用放电等离子体烧结制备陶瓷/金属层状复合材料。 有限元及弹性均匀应变和非均匀应变理论均可以分析陶瓷/金属层状材料中的残余应力分布，三种方法得到的应力值为相同数量级，且残余应力分布的趋势是一致的，即随着陶瓷和金属层厚度比的减小和层数的增加，陶瓷层的压应力逐渐增加。根据理论分析结果，实验中选取有较大的热胀系数和合适熔点的金属镍作为Al2O3层状材料的中间层，此时陶瓷层中存在较大的压应力。制备的层状材料的厚度和长度比小于0.5，使不同尺寸的试样的力学性能具有一定的可比性。为避免大量的制备工作，层状材料的层厚比控制在145。当添加陶瓷金属复相材料作为夹层时，含20wt％Ni的材料的厚度应较小，而含50wt％Ni的材料的厚度应较大。 以聚丙烯酸钾为分散剂可以制备出56.4wt％的高固含量的Al2O3水基流延浆料，素坯密度为1.9g/cm3。由水溶剂及粘结剂PVA组成的电解Ni粉流延浆料的固含量可以达到45.0wt％，素坯的密度为1.5g/cm3。水基流延还可以制备出素坯密度分别为1.3g/em3和1.6g/cm3的陶瓷金属复相材料。实验表明，流延浆料在20℃-35℃时真空除气，素坯表面质量*好。流延素坯无宏观缺陷，干燥后有良好的柔韧性，可以进行切割和叠层。金属素坯脱粘温度不宜高于600℃，否则会在金属颗粒上形成碳沉积，影响烧结体的力学性能。1400℃25MPa热压烧结1h的Al2O3/Ni层状材料表面无宏观缺陷，且相同层的收缩率均匀一致。Ni在Al2O3陶瓷层中的扩散距离约10-25μm，位于Al2O3的三角晶界处。界面无新的金属化合物相生成，避免了金属层的硬化、脆化。 压痕法可以检测出陶瓷/金属层状材料存在残余应力，且残余应力的变化趋势与理论分析的结果相同，对分析材料的力学性能具有指导意义。Al2O3/Ni层状材料的强度存在着*大值，且韧性及断裂功随着层厚比的增加而下降。所有层状材料的韧性和断裂功都高于纯Al2O3材料，Al2O3/Ni层状材料的*高强度和韧性分别为439.8MPa(A/N-2909)和12.6MPa·m1/2(A/N-2902)，分别是单相Al2O3材料的1.24和3.63倍。多层材料的韧性低于3层材料，而29层材料的强度*好。力学性能结果表明层数为29层和15层的A/N材料，分别在层厚比值为9和38附近存在一个强度较好的值；在层厚度比2附近出现*高的韧性和断裂功值(例如A/N-2902的韧性和断裂功分别为12.6MPa·m1/2和6.25KJ/m2)。通过对断裂曲线的分析，发现残余应力主要影响具有较大层厚度比的材料，而小层厚比的材料的性能主要由金属的延展性决定。随着金属含量的增加，金属的塑性形变在能量耗散中占的比重越来越大。Al2O3/Ni层状材料的界面断裂能约为94.2J/m2，表明材料界面结合很好。层厚比≥3的材料，易发生单一裂纹扩展。Al2O3/Ni层状材料中的陶瓷的断裂方式为脆性断裂，Ni层是典型的韧性断裂。 研究了Al2O3/Al2O3+Ni/Ni及Al2O3+Ni/Ni层状材料的力学性能，通过引入**相增韧机制，进一步提高了材料的力学性能。金属以团聚体形式分布在流延法制备的陶瓷金属复相材料的陶瓷基体中，Ni可以抑制基体晶粒的生长，增加晶界的强度，从而提高了材料的强度和韧性。基体中添加20wt％Ni的效果好于添加50wt％Ni的效果。Al2O3/Al2O3+Ni/Ni及Al2O3+Ni/Ni层状材料具有优良的力学性能，强度和韧性高于单相陶瓷材料和具有相同层厚度比的Al2O3/Ni材料。Al2O3+20wt％Ni/Ni层状材料的强度和韧性分别可达到466.3MPa和12.4MPa·m1/2；其中Al2O3+20wt％Ni/Ni-0302和Al2O3+20wt％Ni/Ni-2907具有较好的综合力学性能。Al2O3/Al2O3+50wt％Ni/Ni-030202层状材料的韧性是纯Al2O3和具有相同层厚度比的Al2O3/Ni材料的韧性的5.8倍和2.4倍。 化学镀是一种成本较低的制备层状材料的新方法。利用酸性镀液可以在经过预处理的Al2O3陶瓷基片上沉积出均匀、致密的Ni薄膜。化学镀层是以Ni纳米级胞状颗粒的层状结构方式生长变厚的。初步确定陶瓷表面镀镍层单位面积单位时间的平均增重与时间的关系，为制备层厚可控的Al2O3/Ni层状材料提供了依据。化学镀15h，1400℃30MPa真空下SPS烧结的Al2O3/Ni层状材料的相对密度为97.5％，强度和韧性分别为359.0MPa和4.4MPa·m1/2