中國粉體網(wǎng)訊  由于具有高強(qiáng)度、高模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，陶瓷和陶瓷復(fù)合材料是極有發(fā)展前途的材料。但是，我們都知道，陶瓷的脆性很大，即其斷裂韌性非常低，這又在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

基于陶瓷材料高強(qiáng)低韌的這種特性可知，斷裂力學(xué)性能是評價陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，也正是由于這種特性，其斷裂行為較好地符合線彈性力學(xué)所要求的裂紋尖端平面應(yīng)變條件。預(yù)測結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能所必需的一個重要參數(shù)是斷裂韌性。

陶瓷材料斷裂韌性的評定方法有哪些呢？

目前常用的陶瓷斷裂韌性測試方法有十余種，包括單邊切口梁法(SENB)、表面裂紋彎曲法(SCF)、單邊預(yù)裂紋梁法(SEPB)、單邊V型切口梁法(SEVNB)、山形切口梁法(CNB)、單邊斜切口梁法(SGNB)、壓痕法(IM)、雙扭法(DT)、懸臂梁法(DSC)等。根據(jù)其測試方法的基本原理和預(yù)制裂紋的模式，可分成壓痕法、切口梁法、預(yù)裂紋梁法和其他方法等4大類。

1、壓痕法(IM)

利用壓痕法測試陶瓷斷裂韌性的理論基礎(chǔ)是接觸力學(xué)，基本原理是利用壓頭在光滑的陶瓷表面施加一定的載荷直至壓痕四角產(chǎn)生明顯的裂紋，通過光學(xué)或掃描電鏡測量壓痕尺寸和產(chǎn)生的裂紋長度，結(jié)合載荷、材料硬度和彈性模量，以及校準(zhǔn)常數(shù)計(jì)算出材料的斷裂韌性值。常見的微裂紋形式有半月型裂紋和巴氏裂紋兩種，如下圖所示。該方法僅適用于容易產(chǎn)生壓痕裂紋的材料，如玻璃和脆性較高的陶瓷。對于準(zhǔn)塑性陶瓷，如MAX相陶瓷，無法產(chǎn)生壓痕四角裂紋則并不適用。

半月裂紋和巴氏裂紋壓痕示意圖

2、單邊預(yù)裂紋梁法(SEPB)

單邊預(yù)裂紋梁法(SEPB)通過裂紋引發(fā)裝置，在陶瓷彎曲試樣受拉面預(yù)制一個初始裂紋或壓痕，通過疲勞載荷或橋壓法使其擴(kuò)展形成一條設(shè)定長度的裂紋，然后測量樣品的斷裂韌性。該方法得到的裂紋基本上與自然裂紋相同，被認(rèn)為是測量陶瓷斷裂韌性最準(zhǔn)確的方法，其關(guān)鍵難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確、簡便地預(yù)制出一條長度合適的裂紋。

3、切口梁法

切口梁法是目前最為簡單的斷裂韌性樣品制備方法，是對陶瓷梁試樣用金剛石刀片直接切割出一個直通切口，可分為一步切口法和二步切口法，其原理是試樣切口根部在加載過程中成為應(yīng)力集中點(diǎn)，隨著載荷的進(jìn)一步增加，產(chǎn)生裂紋的萌發(fā)和擴(kuò)展，從而達(dá)到模擬裂紋擴(kuò)展形態(tài)。一步切口法指直接加工出一個切口，如單邊切口梁法(SENB)、山形切口梁法(CNB)、單邊斜切口梁(SGNB)。二步切口法是指在原有的SENB直通切口上二次加工出一個尖銳的切口，如單邊V型切口梁法(SEVNB)。

SENB法測試試樣U型切口形狀示意圖

4、其他方法

除了上述的IM法、SENB法、SEPB法、CNB法、SGNB法、SEVNB法，傳統(tǒng)的測量陶瓷斷裂韌性的方法還有雙懸臂梁法(DCB)、懸臂梁法、雙扭法(TD)、緊湊拉伸法等。雙懸臂梁法(DCB)的理論較為完善，但試樣尺寸大、形狀復(fù)雜、操作麻煩、夾具固定困難等缺點(diǎn)，根據(jù)橫切槽的不同可分成錐形DCB、固定狀態(tài)DCB、楔形負(fù)載DCB；雙扭法(TD)的理論分析不夠完善，采用半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，斷裂韌性值的測定不依賴于裂紋，不需要觀察裂紋擴(kuò)展，不需要獲取裂紋長度，可用于高溫環(huán)境下斷裂韌性的測量；緊湊拉伸法同DCB法的優(yōu)缺點(diǎn)一樣。這些方法由于他們的缺點(diǎn)使得斷裂韌性測量值偏差太大，操作復(fù)雜，現(xiàn)基本不用于陶瓷斷裂韌性的測量。

由于陶瓷的本征脆性，使得這類材料也被稱為最容易發(fā)生突發(fā)性事故的材料，尤其在工程陶瓷材料的選擇中尤其慎重。因此，研究陶瓷材料的斷裂韌性及測試方法非常重要。中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時，來自華南理工大學(xué)的饒平根教授帶來題為《陶瓷基復(fù)合材料斷裂韌性評價》的報(bào)告。在報(bào)告中，饒平根教授將介紹采用基于飛秒激光的SEVNB法研究了三維連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料、晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料和延性夾層層壓陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性，并與SENB法進(jìn)行對比。本報(bào)告的研究成果可為快速準(zhǔn)確可靠評價陶瓷基復(fù)合材料的真實(shí)斷裂韌性提供重要的參考依據(jù)。（鑒于當(dāng)前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計(jì)劃參會的單位可以聯(lián)系會務(wù)組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您！）

專家介紹：

饒平根，華南理工大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。1985年和1988年在天津大學(xué)技術(shù)陶瓷專業(yè)分別獲得工學(xué)學(xué)士、工學(xué)碩士學(xué)位；1995年在華南理工大學(xué)無機(jī)系非金屬材料專業(yè)獲得工學(xué)博士。1998年1月～1998年7月，韓國科學(xué)技術(shù)研究院客座研究員；1998年12月～1999年12月，日本大阪工業(yè)技術(shù)研究所博士后研究員（ITITFellow）；2000年12月～2002年12月，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所關(guān)西中心博士后研究員（STAFellow）。自1988年參加工作起一直從事高性能陶瓷及超細(xì)粉體等方面的研究和教學(xué)工作。先后主持或參與國家及省部級項(xiàng)目40余項(xiàng)，有5項(xiàng)成果通過國家教委鑒定或廣東省科技廳鑒定；已在《J.Euro.Ceram.Soc.》、《J.Am.Ceram.Soc.》、《ScriptaMaterialia》、《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文100多篇，其中80多篇論文被SCI或EI收錄，得到了國際同行的關(guān)注和引用，獲國家發(fā)明專利授權(quán)22件。

參考來源：

[1]萬德田，魏永金等.陶瓷斷裂韌性測試方法準(zhǔn)確性和簡便性比較分析

[2]李大梅.氧化鋁基復(fù)相陶瓷的制備及力學(xué)性能研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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