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內(nèi)襯陶瓷復(fù)合管：陶瓷彎曲強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)
文章發(fā)布日期：2019-08-01 23:22
隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微型元器件的需求與日俱增，微成型制品一次成型，無(wú)需機(jī)械加工或只需微量加工，尺寸精度高，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。由于陶瓷材料具備高硬度、高強(qiáng)度、抗腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，在微成型領(lǐng)域，陶瓷材料得到越來(lái)越多的應(yīng)用，通常材料的性能與其尺寸有關(guān)，特別是當(dāng)零件尺寸減小到一定程度(如亞微米級(jí))，材料會(huì)出現(xiàn)尺寸效應(yīng)[-2]。
陶瓷材料是通過(guò)粉末燒結(jié)而成的，因此不可避免地存在氣孔等缺陷，其力學(xué)性能與材料內(nèi)部的氣孔密切相關(guān)。陶瓷材料的強(qiáng)度會(huì)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(nèi)部氣孔率增大5%的過(guò)程中，氧化鋁拉伸強(qiáng)度降低25%[6]，氣孔率從0%增30%，其斷裂強(qiáng)度從700 MPa減小00 MPa[7]，Si3N4陶瓷材料內(nèi)部氣孔率從36.4%增57.6%，其彎曲強(qiáng)度從235. MPa減小08.3 MPa[8]。
氣孔是燒結(jié)過(guò)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(chǎn)生的，我們知道陶瓷的燒結(jié)氣孔排除與毛坯尺寸大小相關(guān)，因此，本文通過(guò)測(cè)試研究不同厚度陶瓷片燒結(jié)后的強(qiáng)度探討尺寸對(duì)性能的影響。
實(shí)驗(yàn)采用3YSZ陶瓷粉末(3mol% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，Zr(Hf)O2≥94%,通過(guò)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(jī)(M250-60，中，在70 ℃和20 MPa的條件下進(jìn)行壓制，壓制時(shí)間為2 h。壓制完成后，將不同厚度的流延片放在切片機(jī)上，切成長(zhǎng)度統(tǒng)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(shí)間為50 h，脫脂后的胚體放在高溫爐中，在520 ℃燒結(jié)3 h。用千分尺測(cè)量燒結(jié)后樣品條的尺寸。將燒結(jié)好的樣品條進(jìn)行邊緣拋光處理，拋光后的樣品條放在材料試驗(yàn)機(jī)(Y系列，德國(guó)zwick)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中跨距固定為30 mm，測(cè)試后獲取樣品的彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)。采用阿基米德排水法測(cè)量樣品的密度(測(cè)量中樣品重量的測(cè)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(jié)果與討論
實(shí)驗(yàn)測(cè)得，燒結(jié)后6種樣品的長(zhǎng)度均為39.2 mm，寬度均為4.7 mm，樣品在長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)應(yīng)力和變形量曲線。從圖中可以看出，厚度從568 μm減小474 μm時(shí)，試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線基本無(wú)變化，隨著試樣厚度的進(jìn)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(nèi)部氣孔率的降低導(dǎo)致，表明試驗(yàn)中樣品隨著厚度的減小，內(nèi)部氣孔率降低。
所示是不同厚度的氧化鋯陶瓷試樣對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和密度關(guān)系圖。從圖中可以看出，當(dāng)樣品厚度從568 μm減小474 μm時(shí)，在一定的誤差范圍內(nèi)，樣品彎曲強(qiáng)度基本不變化，均為540 MPa左右。當(dāng)樣品厚度從474 μm減小378 μm的過(guò)程中，樣品的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度增大，為630 MPa左右。隨著樣品厚度繼續(xù)減小，從378 μm變?yōu)?89 μm時(shí)，樣品的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的增大現(xiàn)象，達(dá)到780 MPa左右。隨著樣品厚度的進(jìn)一步減小，樣品的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度持續(xù)增大,當(dāng)小厚度92 μm時(shí)，樣品的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度高可達(dá)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(guò)程中，樣品的密度無(wú)明顯變化，在樣品厚度從474 μm減小到92 μm的過(guò)程中，密度值出現(xiàn)微小的增大。樣品氣孔率與厚度的關(guān)系如表，隨著樣品厚度的減小，燒結(jié)時(shí)氣孔容易排出，內(nèi)部氣孔率減小，樣品燒結(jié)致密，導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度增大。
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