项目批准号： 59872046

吴永礼 叶裕恭　　　　 陈沙鸥¹

中国科学院力学研究所　 青岛大学¹

　　用纳米陶瓷颗粒(例氧化铝Al2O3)弥散分布在另一种陶瓷基体(例碳化硅SiC)中组成的复合材料称为纳米复合陶瓷材料。这种复合材料的强度、断裂韧度、硬度和抗蠕变性等力学性能要比单一陶瓷要好得多。从而使陶瓷材料能够在航空航天等高技术工业中得到广泛应用。研究纳米复合陶瓷材料的强化和韧化的机理可以为设计制造高性能纳米复合陶瓷提供理论依据。

　　本项目以氧化铝-纳米碳化硅复合材料为对象，研究它的力学性能。研究表明：

1. 由於两种组分材料的热膨胀系数和弹性模量的失配，复合材料经热压加工后，在颗粒和基体中存在残余热应力，这个应力对复合材料的强化和韧化起重要的作用。从热弹性力学理论出发，用细观力学的方法推导了精确的残余热应力计算公式。

2. 对氧化铝-纳米碳化硅复合材料断裂表面观察的结果表明，在基体/基体晶界上的碳化硅粒子，有效地阻碍了裂纹沿基体/基体界面的扩张，而晶内碳化硅粒子周围的切向张应力总是大于晶界碳化硅粒子周围的切向张应力，裂纹向晶内碳化硅粒子方向扩展，形成穿晶断裂(参见图1)。

3. 用透射电镜对纯氧化铝和氧化铝-纳米碳化硅复合陶瓷微观结构观察表明，弥散碳化硅颗粒对氧化铝基体微结构有较大的影响: 位错数量增多, 组态变得复杂化和多样化,如图2所示。氧化铝基体中引入碳化硅颗粒，特别是晶内纳米碳化硅颗粒使次界面处存在较大应力，这种局部应力集中足以使合适的滑移面上位错源开动，而产生许多新位错，由于碳化硅颗粒在氧化铝的晶内和晶界上分布是随机的，因而产生的应力场分布也是复杂的，所造成的位错组态也就变得复杂化多样化。

工程与材料科学部、国际合作局 主办
数理科学部、化学科学部 协办