低温下非氧化物陶瓷的断裂机理、裂纹扩展与性能研究
[Abstract]:With the progress of human science and technology, low temperature technology has been widely used in aerospace, thermonuclear fusion and superconductivity. Structural ceramics have the characteristics of high hardness, wear resistance, electrical insulation and so on. They can complement each other with metal and polymer materials, and play a unique role in some low temperature applications. At present, there are few studies on the fracture mechanism and properties of non-oxide ceramics at low temperature. Therefore, starting from the factors affecting the mechanical properties of structural ceramics, the relationship between fracture modes, crack propagation, bridge, porosity and material properties of several kinds of non-oxide ceramics with typical structure at low temperature is studied in this paper, and the law and reason of the change of material properties at low temperature are revealed. It is found that the fracture toughness, bending strength and Weber modulus of aluminum nitride ceramics increase at low temperature. The direct reason for this change is the increase of transgranular fracture ratio at low temperature, which leads to the increase of fracture surface energy. At the same time, by analyzing the difference of low temperature fracture mechanism between silicon nitride ceramics and aluminum nitride ceramics, it is found that the properties of grain boundary phase, volume fraction and distribution position affect the variation of low temperature fracture mode of ceramics. When the temperature decreased from 293k to 77K, the steady-state fracture toughness of silicon nitride ceramics increased from 5.19MPa 路M1 / 2 to 6.51MPa 路M1 / 2, an increase of 25.4%. The maximum bridge stress of a bridge structure at 293k is 0.7 GPA, while the maximum bridge stress increases to 1.0 GPA at 77K, which indicates that the increase of bridge stress is one of the main reasons for the improvement of toughness of silicon nitride ceramics at low temperature. Through the statistical analysis of 4323 crack deflection and 320 bridge structures in 60 cracks produced at different temperatures (293K, 159K and 77K) of silicon nitride ceramics, it is found that although the residual stress can affect the proportion of intergranular fracture in the material at low temperature, the distribution of crack deflection angle and the probability of bridge formed by crack deflection at different angles are determined by the microstructure of the material and not affected by the temperature change. Taking Si3N4-Y2O3-Al2O3 system as the research object, it is found that when the mass fraction or ratio of sintering auxiliaries Y2O3 and Al2O3 is changed, the grain boundary phase volume, thermal expansion coefficient and microstructure of silicon nitride ceramics will change, and then the low temperature properties of the materials will be affected, and the influence of microstructure is the dominant factor. It is found that the increase of elastic modulus of silicon carbide grain and the increase of pore induced crack propagation resistance lead to the increase of fracture strength at low temperature, and the existence of residual stress field at low temperature will reduce the effective size of pore induced crack in pressuless sintered silicon carbide ceramics and lead to the increase of Weber modulus.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ174.1
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,本文编号:2498514
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