氧化锆陶瓷闪烧稳态阶段的原位力学行为及形成机理研究

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闪烧是一种在样品两端施加高电场,使之产生快速致密化的新型陶瓷烧结工艺,具有烧结温度低、烧结时间短、致密化速度快等特点,引起了国内外学者的广泛关注。然而,闪烧是一个非常复杂的过程,伴随着许多物理、化学变化。因此,闪烧的很多奇特现象和闪烧机理都需要系统地研究和解释。采用原位表征技术能够更加直接地反映闪烧过程的物理、化学本质,因此本文设计通过原位力学性能测试技术,探索闪烧引起氧化锆陶瓷力学行为变化的科学本质,阐明闪烧机理。本文以氧化锆陶瓷(3YSZ多晶陶瓷和8YSZ单晶)为研究对象,通过改变电流密度和炉温,研究样品在闪烧稳态阶段的原位三点弯曲力学性能变化,通过设计无电场烧结的3YSZ多晶陶瓷以及8YSZ单晶作为对照组,结合物相分析、显微结构表征,探究闪烧引起氧化锆陶瓷力学行为变化的科学本质,阐明相关机理。主要研究结果包括以下四个方面:(1)当炉温为600℃时,在低电流密度(30–50 mA/mm2)下,3YSZ陶瓷表现出脆性断裂;在高电流密度(70–120 mA/mm2)下,3YSZ陶瓷表现出塑性形变。随着电流密度的增加,3YSZ陶瓷的塑性变形能力不断提高。(2)在同样的测试温度下(959–1297℃),常规烧结(无电场)3YSZ陶瓷表现出脆性断裂。闪烧与常规烧结3YSZ陶瓷的不同的力学行为说明了闪烧稳态阶段3YSZ陶瓷产生的塑性形变不仅仅是由电场带来的焦耳热引起的,同时也说明了闪烧的机理不是单纯的焦耳热效应。(3)3YSZ陶瓷的力学行为和微观结构显示,闪烧电流密度的增加(70–120mA/mm2)和炉温的增加(500–900℃)均会导致3YSZ陶瓷材料内部位错、孪晶等缺陷的显著增加,进而导致3YSZ陶瓷在热、力、电耦合场的作用下表现出弹性模量降低、屈服强度降低、硬化指数降低等独特的力学行为。(4)8YSZ单晶在闪烧过程中同样可以产生一定的塑性变形能力,但是需要更高的炉温(≥800℃)、更大的电流密度(≥250 mA/mm2)、更慢的变形速度(≤0.05 mm/min)。8YSZ单晶内部存在的大量位错说明其发生的塑性形变是由于位错运动引起的。这也说明了3YSZ陶瓷产生的塑性形变主要来源于晶界滑移,此外位错、孪晶等缺陷运动也起了一定的作用。
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