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內襯陶瓷復合管：陶瓷彎曲強度的尺寸效應
文章發布日期：2019-08-01 23:22
隨著微機電系統的發展，微型元器件的需求與日俱增，微成型制品一次成型，無需機械加工或只需微量加工，尺寸精度高，易于實現生產自動化。由于陶瓷材料具備高硬度、高強度、抗腐蝕、耐磨損等優點，在微成型領域，陶瓷材料得到越來越多的應用，通常材料的性能與其尺寸有關，特別是當零件尺寸減小到一定程度(如亞微米級)，材料會出現尺寸效應[-2]。
陶瓷材料是通過粉末燒結而成的，因此不可避免地存在氣孔等缺陷，其力學性能與材料內部的氣孔密切相關。陶瓷材料的強度會隨著氣孔率的增大顯著的下降[3-5]，有研究表明，氧化鋁陶瓷內部氣孔率增大5%的過程中，氧化鋁拉伸強度降低25%[6]，氣孔率從0%增30%，其斷裂強度從700 MPa減小00 MPa[7]，Si3N4陶瓷材料內部氣孔率從36.4%增57.6%，其彎曲強度從235. MPa減小08.3 MPa[8]。
氣孔是燒結過程中材料中的氣體受到阻礙難以從材料中排除而“遺留”在材料中產生的，我們知道陶瓷的燒結氣孔排除與毛坯尺寸大小相關，因此，本文通過測試研究不同厚度陶瓷片燒結后的強度探討尺寸對性能的影響。
實驗采用3YSZ陶瓷粉末(3mol% Y2O3穩定的ZrO2，Zr(Hf)O2≥94%,通過流延方法制備氧化鋯薄片，分別將流延薄片依次墊層成為不同厚度的片，將疊加好的6種不同厚度的流延片放入塑料包裝袋抽真空，然后置入溫等靜壓機(M250-60，中，在70 ℃和20 MPa的條件下進行壓制，壓制時間為2 h。壓制完成后，將不同厚度的流延片放在切片機上，切成長度統一為50 mm,寬度為6 mm的樣品。將切好的6種不同厚度的樣品條埋在氧化鋁粉末中，在300 ℃緩慢脫脂，脫脂總時間為50 h，脫脂后的胚體放在高溫爐中，在520 ℃燒結3 h。用千分尺測量燒結后樣品條的尺寸。將燒結好的樣品條進行邊緣拋光處理，拋光后的樣品條放在材料試驗機(Y系列，德國zwick)上進行三點彎曲強度測試，實驗中跨距固定為30 mm，測試后獲取樣品的彎曲強度數據。采用阿基米德排水法測量樣品的密度(測量中樣品重量的測量精度為0.000 g)，在SEM(Nova NanoSEM 450,荷蘭FEI公司)下觀察樣品的表面形貌和斷口形貌。
3 結果與討論
實驗測得，燒結后6種樣品的長度均為39.2 mm，寬度均為4.7 mm，樣品在長度和寬度方向的收縮率大致相同，為2.6%左右，厚度依次為92 μm、9 μm、289 μm、378 μm、474 μm、568 μm。
為幾種不同厚度樣品彎曲實驗應力和變形量曲線。從圖中可以看出，厚度從568 μm減小474 μm時，試樣應力應變曲線基本無變化，隨著試樣厚度的進一步減小，其曲線的斜率增大，而且，樣品厚度越薄曲線斜率增加越多，也即樣品的彈性模量隨著厚度的減小而增大。在外部條件相同的情況下，陶瓷材料彈性模量的增加主要是由內部氣孔率的降低導致，表明試驗中樣品隨著厚度的減小，內部氣孔率降低。
所示是不同厚度的氧化鋯陶瓷試樣對應的三點彎曲強度和密度關系圖。從圖中可以看出，當樣品厚度從568 μm減小474 μm時，在一定的誤差范圍內，樣品彎曲強度基本不變化，均為540 MPa左右。當樣品厚度從474 μm減小378 μm的過程中，樣品的三點彎曲強度增大，為630 MPa左右。隨著樣品厚度繼續減小，從378 μm變為289 μm時，樣品的三點彎曲強度出現明顯的增大現象，達到780 MPa左右。隨著樣品厚度的進一步減小，樣品的三點彎曲強度持續增大,當小厚度92 μm時，樣品的三點彎曲強度高可達988 MPa。從圖2中還可以看出，6種樣品的密度值均接近理論密度。在樣品厚度從568 μm減小到474 μm的過程中，樣品的密度無明顯變化，在樣品厚度從474 μm減小到92 μm的過程中，密度值出現微小的增大。樣品氣孔率與厚度的關系如表，隨著樣品厚度的減小，燒結時氣孔容易排出，內部氣孔率減小，樣品燒結致密，導致彎曲強度增大。
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