由于陶瓷膜層中離子鍵的高強(qiáng)度,陶瓷材料具有高硬度的同時(shí)也通常缺乏耐用性和彈性。通過(guò)借鑒層片狀和“磚-砂”軟硬相仿生結(jié)構(gòu)能夠有效緩解強(qiáng)度與韌性倒置的困境。然而,這些仿生結(jié)構(gòu)通常是在微米級(jí)制備的。相比之下,具有納米級(jí)微結(jié)構(gòu)的天然珍珠層通常表現(xiàn)出更好的韌性增強(qiáng)作用。此外,增強(qiáng)相(磚)和塑性相(砂)的元素組成和化學(xué)鍵通常顯著不同,導(dǎo)致界面潤(rùn)濕性較差,促進(jìn)了裂紋的沿相界形核和傳播,降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果。因此,開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀分層和微觀“磚-砂”結(jié)構(gòu)的膜層制造方法,確保增強(qiáng)相和塑性相具有高度潤(rùn)濕的同質(zhì)界面,對(duì)于提升陶瓷膜層的綜合力學(xué)性能是至關(guān)重要的。 為了解決這一問(wèn)題,長(zhǎng)安大學(xué)輕合金表面強(qiáng)化研究所陳永楠教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)占海飛教授團(tuán)隊(duì)和西北有色金屬研究院通過(guò)分段調(diào)整微弧氧化(PEO)過(guò)程的電參數(shù)制備了具有多尺度異構(gòu)的陶瓷膜層(HSCCs)。HSCCs具有增強(qiáng)相(MgO,c-ZrO2晶體)含量更多的硬質(zhì)上層,和塑性相(非晶氧化物)含量更多的韌性下層,并表現(xiàn)出了優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性和抗剪切能力。相關(guān)研究成果以“Hierarchically
Structured Ceramic Coatings Based on Zirconia and Magnesium Oxide with High
Toughness”為題發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際期刊《Advanced
Functional Materials》上。論文第一作者為長(zhǎng)安大學(xué)博士生錢偉峰,通訊作者為長(zhǎng)安大學(xué)陳永楠教授,王楠講師和浙江大學(xué)占海飛教授,合作者還包括長(zhǎng)安大學(xué)趙秦陽(yáng)副教授、西北有色金屬研究院王少鵬等。 論文鏈接: https:///10.1002/adfm.202418312 研究在先前大量電參數(shù)組合探索的基礎(chǔ)上,依照天然貝殼結(jié)構(gòu)通過(guò)分段PEO成功制備了基于強(qiáng)化相和韌性相差異實(shí)現(xiàn)宏觀分層結(jié)構(gòu)的膜層,該膜層的上層具有大量的c-ZrO2強(qiáng)化晶粒,下層具有大量的非晶氧化物(圖1)。通過(guò)對(duì)相界面進(jìn)行深入的分析,發(fā)現(xiàn)在c-ZrO2晶粒與非晶相的界面上形成了2-3
nm的過(guò)渡層(圖2),Mg原子大量滲入晶格,置換了部分Zr原子從而穩(wěn)定了O原子柱,實(shí)現(xiàn)了對(duì)c-ZrO2的穩(wěn)定(圖3)。 圖1. HSCCs的設(shè)計(jì)及分層結(jié)構(gòu)表征。 圖2. HSCCs 不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布。 圖3. HSCCs中不同區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)和界面原子柱排列。 在過(guò)渡界面的穩(wěn)定下,HSCCs表現(xiàn)出了700 ℃以上的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性(圖4),以及相對(duì)于傳統(tǒng)晶體膜層65%以上的抗剪切力提升(圖5)。劃痕測(cè)試結(jié)果表明更硬的上層和更韌的下層分別承擔(dān)了大部分應(yīng)力和應(yīng)變,使得膜層整體的臨界脫落應(yīng)力值大幅提高。 在此基礎(chǔ)上,通過(guò)晶體/非晶氧化物同質(zhì)過(guò)渡邊界剪切變形過(guò)程的模擬,明確了納米級(jí)“磚-砂”同質(zhì)界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化機(jī)理(圖6)。在過(guò)渡邊界上,靠近c-ZrO2晶體內(nèi)部的Mg滲入較少,起到穩(wěn)定c-ZrO2作用,靠近非晶部分的Mg滲入較多,c-ZrO2晶格逐漸被破壞,此時(shí)Zr-O-Mg三元非晶氧化物則會(huì)在變形過(guò)程中產(chǎn)生大量的自由體積,從而為相界面提供持續(xù)的塑性變形能力而不發(fā)生斷裂。此外,還討論了裂紋擴(kuò)展對(duì)非晶態(tài)塑性變形的影響以及 PEO 過(guò)程中多級(jí)異構(gòu)形成的過(guò)程。綜上所述,此研究通過(guò) PEO 原位制備的強(qiáng)韌一體化HSCCs為改進(jìn)陶瓷功能復(fù)合材料應(yīng)用,克服陶瓷材料強(qiáng)塑性倒置的挑戰(zhàn)提供了一種新途徑。 |
|
來(lái)自: 材料科學(xué)網(wǎng) > 《待分類》