Механическое поведение слоистого керамического композита ZrB2-ZrO2-SiC | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/121

Механическое поведение слоистого керамического композита ZrB2-ZrO2-SiC

Изучены свойства и особенности разрушения при трехточечном изгибе и диаметральном сжатии теплозащитного композита ZrB2 - 20 % SiC и теплозащитного слоистого керамического композита, состоящего из слоёв ZrB2 - 20 % SiC с добавкой ZrO2 от 0 до 100 %. Увеличение содержания ZrO2 в слоях привело к заметному уменьшению величины Е уз и увеличению коэффициента термического линейного расширения. В слоистом композите в приграничных объёмах слоя со стороны, прилегающей к соседнему слою с меньшим коэффициентом термического расширения, формируются растягивающие остаточные напряжения, а со стороны слоя, прилегающий к последующему слою с большей величиной α, формируются сжимающие остаточные напряжения. Твёрдость в областях действия сжимающих напряжений превышала твёрдость в областях действия растягивающих напряжений. Рельеф поверхности откола образцов свидетельствует, что независимо от условий нагружения при трёхточечном изгибе бифуркация магистральной трещины произошла на границе раздела между слоями композита с наибольшей разницей в коэффициентах термического расширения с содержанием ZrO2 30 и 70 %. Энергия разрушения слоистого керамического композита ZrB2-SiC-ZrO2 значительно превышала таковую для керамики ZrB2 - 20 % SiC.

Mechanical behavior of the layered ceramic composite ZrB2-ZrO2-SiC.pdf Введение Керамические композиционные материалы со слоистой структурой характеризуются комплексом свойств, не достигаемым керамическими композитами с иной структурной иерархией. Области использования слоистых керамик весьма разнообразны - от приборостроения до ракетостроения. Кроме того, в последнее время создание слоистой структуры в керамиках рассматривается как один из подходов увеличения их трещиностойкости и надёжности за счёт рассеяния энергии разрушения на бифуркацию или остановку трещин на границах раздела слоёв [1-6]. Развитие повреждений в слоистых керамических композитах при механическом воздействии в значительной мере определяется напряжениями, формируемыми на границах раздела слоёв вследствие разницы коэффициентов термического расширения (α). Разрушение слоистых керамик подробно изучено на материалах с периодической укладкой слоёв [1]. Чередование слоёв с разными α приводит к распределению в них растягивающих и сжимающих напряжений. После охлаждения слои с большим коэффициентом α остаются под действием растягивающих напряжений, а слои с меньшим α - под действием сжимающих напряжений. Сжимающие остаточные напряжения способствуют закрытию трещин и тем самым сдерживают их распространение. Однако не всегда чередование слоёв является решением задач, возлагаемых на слоистые керамические композиты, условиями их эксплуатации. В данной работе изучен отклик на механическое воздействие керамического композита, состоящего из слоёв ZrB2-SiC с добавкой ZrO2. Такого рода композит представляет интерес в качестве материала тепловой защиты поверхности ракетно-космической техники и высокоэнергетических систем. Структурная иерархия композита обеспечивает уменьшение теплопроводности от фронтальной поверхности композита (ZrB2-SiC) к тыльной поверхности (ZrO2). Композит ZrB2-SiC характеризуется высокой устойчивостью к термическим воздействиям вплоть до 2500 оС. Оксид циркония имеет низкую теплопроводность (от 2.5 до 3 Вт/(м∙К) [7], что делает его весьма привлекательным с точки зрения теплозащитного материала. Однако сочетание низкой теплопроводности и высокого коэффициента термического расширения (8.6∙10-6 К-1 (при 20-1000 оС) [8] оказывает отрицательное влияние на термическую стойкость ZrO2. Использование оксида циркония в слоистых композитах в качестве материала тыльного слоя, контактирующего с металлической конструкцией, позволяет избежать значительных термических нагрузок на него и увеличить теплозащитные функции композиционного материала в целом. В полученном композите все слои отличаются величиной коэффициента термического расширения. Разрушение таких слоистых керамических композитов изучено слабо, однако представления об их механическом отклике на внешнее воздействие имеет большое значение с точки зрения надёжности и долговечности эксплуатации конструкций из них. Цель данной работы состоит в выявления физико-механических особенностей разрушения слоистого керамического композита, состоящего из слоёв ZrB2-SiC с добавкой ZrO2. Материалы и методики исследований Материалом для исследований служили образцы слоистого композита (ZrB2 - 20 % SiC)-ZrO2 (здесь и далее обозначенного как ZrB2-SiC-ZrO2) и образцы композита ZrB2 - 20 % SiC. Структурная схема слоистого композита приведена на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема слоистого композита ZrB2-SiC-ZrO2 Образцы слоистого композита получены спеканием под давлением предварительно сформованных составляющих его слоёв. Спекание производилось при температуре 1900 оС в течение 30 мин в атмосфере аргона при давлении 30 МПа. Образцы композита ZrB2 - 20 % SiC получены в аналогичных условиях. Для получения композиционных материалов использовались промышленные порошки ZrB2-SiC-ZrO2. Содержание оксида циркония в слоях варьировалось от 0 до 100 об. %. Пористость в слоях I-III не превышала 2.5 %, слои IV и V для уменьшения теплопроводности имели пористость ~ 20 и 30 % соответственно. Пористость в образцах керамики ZrB2 - 20 % SiC не превышала 2 %. Диоксид циркония в композите находился в тетрагональной модификации. Образцы слоистого композита и композита ZrB2 - 20 % SiC имели форму дисков с размерами D = (30±0.1) мм, h = (5±0.3) мм. Слои в композите имели одинаковую высоту ~ 1 мм. Механические испытания образцов керамических композитов произведены по схеме трёхточечного изгиба и по схеме диаметрального сжатия (Brazilian test [9]) на испытательной машине «Instron». Твёрдость в образцах композита ZrB2-SiC-ZrO2 измерялась на приборе Nanoindenter G200 индентированием пирамиды Берковича с максимальной нагрузкой 700 мН. Индентирование производилось на полированной поверхности поперечного среза образцов. В каждом слое производилось несколько уколов, в том числе и в областях сопряжения слоёв. Величина модуля упругости Eуз композитов рассчитана из скорости прохождения ультразвука, фиксируемой ультразвуковым дефектоскопом Tektronix TDS200, на образцах керамики в структурно-фазовом состоянии, аналогичном слоям композита ZrB2-SiC-ZrO2. Поверхности разрушения композитов исследовались посредством растровой электронной микроскопии на микроскопе Vega Tescan. Коэффициент термического расширения α∙10-6 К-1 слоёв рассчитан по правилу аддитивности с учётом присутствующей в слоях пористости. Результаты и их обсуждение В таблице приведены данные о свойствах слоёв в композите ZrB2-SiC-ZrO2 и величины остаточных напряжений в областях межслоевых границ. Диоксид циркония имеет наименьшую среди других компонентов слоистого композита величину модуля упругости, в связи с чем увеличение его содержания в слоях привело к уменьшению величины Еуз. Так, модуль упругости композита ZrB2-SiC-ZrO2 с содержанием ZrO2 10 % в среднем составил 423 ГПа, а композита с содержанием диоксида циркония - 70 % и 250 ГПа. Диоксид циркония в сравнении с ZrB2 и SiC имеет существенно больший коэффициент термического расширения, что оказало влияние на величину α слоёв композита по мере увеличения в них содержания ZrO2. Так, например, согласно произведённым расчётам, величина α слоя с содержанием диоксида циркония 10 % составила 5.89∙10-6 К-1, а для слоя с содержанием диоксида циркония 70 % α = 8.2910-6 К. Величины Еуз ГПа, α10-6 К и остаточных напряжений на границах слоёв в керамическом композиционном материале ZrB2-SiC-ZrO2 Состав слоя Еуз, ГПа α10-6, К Остаточные напряжения на межслоевых границах*, МПа H, ГПа (I) ZrB2 - 20 % SiC 440±7 5.61 1-2 = 40.9 H1-2 = 26±2 (II) (ZrB2 - 20 % SiC) - 10 % ZrO2 432±5 5.89 2-1 = +40.2 2-3 = 76.2 H2-1 = 21±2 H2-3 = 26±1 (III) (ZrB2 - 20 % SiC) - 30 % ZrO2 380±5 6.49 3-2 = +67.2 3-4 = 228 H2-1 = 18±1 H2-3 = 23±2 (IV) (ZrB2 - 20 % SiC) - 70 % ZrO2 250±3 8.29 4-3 = +150 4-5 = 75 H2-1 = 15±3 H2-3 = 20±2 (V) ZrO2 150±8 9.2 5-4 = +45 H2-1 = 14±2 Примечание. * Остаточные напряжения в слоях в области межслоевых границ рассчитаны из разницы величин α. С точки зрения распределения напряжений слоистые керамические композиты являются системами, в которых в зависимости от разницы коэффициентов термического расширения слоёв генерируется распределение остаточных сжимающих и растягивающих напряжений в объёмах материала. В композитах с чередованием двух слоёв формируется довольно простое распределение остаточных напряжений, слои с растягивающими напряжениями чередуются со слоями, остающимися под действием сжимающих напряжений. В работе [1] с использованием позитронно-аннигиляционной спектроскопии показано распределение остаточных напряжений на примере слоистого композита ZrO2-Al2O3. Слои моноклинного ZrO2 с меньшей величиной α при охлаждении оставались под действием сжимающих напряжений, слои Al2O3 с большей величиной α оставались под действием растягивающих напряжений. Иное распределение остаточных напряжений возникает в керамических слоистых композитах, в которых каждый последующий слой имеет больший коэффициент термического расширения, чем предыдущий. В таких композитах в приграничных объёмах слоя будут формироваться сжимающие и растягивающие остаточные напряжения. Со стороны, прилегающей к соседнему слою с меньшим коэффициентом термического расширения, будут формироваться растягивающие остаточные напряжения, а со стороны слоя, прилегающей к последующему слою с большей величиной α, - сжимающие остаточные напряжения. С использованием данных работ [6, 10] и уравнения остаточных напряжений были оценены величины напряжений на границах слоёв после охлаждения образцов композита от температуры синтеза (таблица). Согласно полученным данным, наибольшая разница в величинах остаточных напряжений в композите возникала на границе раздела между слоями (ZrB2 - 20 % SiC) - 30 % ZrO2 и (ZrB2 - 20 % SiC) - 70 % ZrO2. Так, со стороны границы в слое с меньшим содержанием ZrO2 сфор¬мировались сжимающие остаточные напряжения, величина которых составила 228 МПа. В слое с содержанием диоксида циркония 70 % со стороны границы раздела сформировались растягивающие остаточные напряжения, величина которых составила 150 МПа. Справедливость результатов такой оценки распределения остаточных напряжений со стороны границ раздела в слоистом композите подтверждают данные по твёрдости слоёв вблизи границ раздела. Согласно полученным данным, величина H в области действия сжимающих напряжений имела большее значение, чем в области действия растягивающих напряжений. Так, например, в слое (ZrB2 - 20 % SiC) - 30 % ZrO2 со стороны слоя с меньшим коэффициентом термического рас¬ширения H = (18±1) ГПа, а со стороны слоя с большим коэффициентом термического расширения H = (23±2) ГПа. На связь твёрдости слоёв в керамических композитах с величиной и знаком остаточных напряжений указывают и результаты исследований в [11]. В работах [12-15] предложены теоретические модели зависимости нанотвердости от вида остаточных напряжений. Механические испытания слоистого композита ZrB2-SiC-ZrO2 на трёхточечный изгиб показали, что его прочность в значительной мере зависела от условий нагружения, а именно от напряжений, формирующихся со стороны слоя ZrB2 - 20 % SiC и со стороны слоя ZrO2. Прочность образцов на изгиб при действии сжимающих напряжений со стороны слоя ZrB2 - 20 %SiC составила (36±5) МПа, а при формировании растягивающих напряжений в этом слое прочность слоистого композита в среднем составила (102±10) МПа. Прочность образцов композита ZrB2 - 20 % SiC при испытаниях на изгиб составила (88±5) МПа. Прочность границ раздела в слоистых композитах оказывает существенное влияние на процесс их разрушения. Относительно слабые межслоевые границы обеспечивают значительное повышение энергии разрушения (сопротивление разрушению) за счёт расслоения композита [16-20]. В таких композитах трещины с приближением к границе раздела слоёв меняют траекторию распространения. Продвижение трещин вдоль границы раздела слоёв, так называемое «изящное разрушение», препятствует мгновенному катастрофическому разрушению материала [3]. В слоистых материалах с прочными межслоевыми границами увеличение энергии разрушения в большей мере обеспечивается микроструктурным дизайном (составом слоя). Как правило, в композитах с сильными границами раздела слоёв не удаётся достичь энергии разрушения, сопоставимой с энергией разрушения слоистых композитов со слабыми границами раздела. При разработке слоистых керамических композитов особого внимания заслуживает вопрос о силе границ раздела. Значительное увеличение трещиностойкости может быть достигнуто при относительно слабых границах раздела слоёв. Бифуркация трещин на относительно слабых межслоевых границах раздела, часто наблюдаемая при разрушении слоистых композитов, является эффективным механизмом увеличения энергии их разрушения. В исследуемом слоистом керамическом композите ZrB2-SiC-ZrO2 в случае, когда при испытаниях на изгиб со стороны слоя ZrB2 - 20 % SiC индуцируются сжимающие напряжения, напряжения растяжения, действующие на межслоевых границах со стороны слоёв с большим содержанием диоксида циркония, способствуют раскрытию развивающихся трещин. При индуцировании сжимающих напряжений со стороны слоя из ZrO2, наоборот, напряжения сжатия на межслоевых границах со стороны слоёв с меньшим содержанием оксида циркония способствуют закрытию распространяющихся трещин. Вероятно, такое распределение напряжений обеспечивает разницу в прочности слоистого композита на изгиб при изменении схемы нагружения. Однако необходимо принять во внимание, что слои с содержанием ZrO2 70 и 100 % имели высокую пористость, 20 и 30 % соответственно, формирование в них при испытаниях на изгиб растягивающих напряжений также оказало отрицательное влияние на прочность композита в целом. На рис. 2 приведены снимки образцов слоистого композита после испытаний на трёхточечный изгиб. Рельеф поверхности откола образцов показывает, что независимо от условий нагружения при трёхточечном изгибе бифуркация магистральной трещины произошла на границе раздела между слоями композита с наибольшей разницей в коэффициентах термического расширения с содержанием ZrO2 30 и 70 %. Вероятно, прочность границ раздела в слоистом композите ZrB2-SiC-ZrO2 с меньшей разницей в величинах α слоёв достаточно высока. На рис. 3 приведены деформационные диаграммы, полученные при испытаний на диаметральное сжатие образцов слоистого керамического композита ZrB2-SiC-ZrO2 и керамики ZrB2 - 20 % SiC. Прочность слоистого композита при таком виде нагружения составила (50±5) МПа, прочность образцов композита ZrB2 - 20 % SiC - (30±5) МПа. Композиты отличались и предельной деформацией, величина  образцов слоистого композита практически в 1.5 раза превысила предельную деформацию образцов композита ZrB2 - 20 % SiC. На рис. 3, б приведен снимок поверхностей разрушения слоистого композита и композита ZrB2 - 20 % SiC. При разрушении слоистого композита трещины изменили направление своего распространения на угол ≈ 90о на границе раздела между слоями с содержанием диоксида циркония 30 и 70 %. Из приведённых снимков видно, что поверхность разрушения композита ZrB2 - 20 % SiC менее развита. Энергия разрушения слоистого керамического композита ZrB2-SiC-ZrO2 значительно превышала таковую для керамики ZrB2 - 20 % SiC (рис. 3, а). Рис. 2. Рельеф откола при испытаниях на изгиб слоистого композита при формировании: а - сжимающих напряжений на тыльной поверхности (100 % ZrO2); б - растягивающих напряжений на тыльной поверхности и в - поверхность разрушения слоистого композита Рис. 3. Деформационные диаграммы (а) при испытаниях на диаметральное сжатие: кр. 1 - слоистого композита ZrB2-SiC-ZrO2 и кр. 2 - композита ZrB2 - 20 % SiC; поверхности разрушения слоистого композита ZrB2-SiC-ZrO2 (б) и композита ZrB2 - 20 % SiC (в) (см. также с. 126) Рис. 3. Окончание Заключение Изучены свойства и особенности разрушения при трехточечном изгибе и диаметральном сжатии теплозащитного композита ZrB2 - 20 % SiC и слоистого керамического композита, состоящего из слоёв ZrB2 - 20 % SiC с добавкой ZrO2 от 0 до 100 %. Композиты получены спеканием под давлением. Увеличение содержания ZrO2 в слоях привело к заметному уменьшению величины Еуз и увеличению коэффициента термического линейного расширения. Расширение слоев, содержащих диоксид циркония и, следовательно, остаточные напряжения, контролируется количеством диоксида циркония в слоях. В слоистом керамическом композите в приграничных объёмах слоя будут формироваться сжимающие и растягивающие остаточные напряжения. Со стороны, прилегающей к соседнему слою с меньшим коэффициентом термического расширения, будут формироваться растягивающие остаточные напряжения, а со стороны слоя, прилегающей к последующему слою с большей величиной α, - сжимающие остаточные напряжения. Наноиндентирование, выполненное через границы раздела композита, продемонстрировало эффект градиента остаточных напряжений. Твёрдость в областях действия сжимающих напряжений превышала твёрдость в областях действия растягивающих напряжений. Прочность образцов слоистого керамического композита на изгиб при действии сжимающих напряжений со стороны слоя ZrB2 - 20 % SiC составила (36±5) МПа, а при формировании растягивающих напряжений в этом слое прочность слоистого композита в среднем составила (102±10) МПа. Прочность образцов композита ZrB2 - 20 % SiC при испытаниях на изгиб составила (88±5) МПа. Рельеф откола образцов свидетельствует, что независимо от условий нагружения при трёхточечном изгибе бифуркация магистральной трещины произошла на границе раздела между слоями композита с наибольшей разницей в коэффициентах термического расширения с содержанием ZrO2 30 и 70 %. Прочность слоистого композита при диаметральном сжатии составила (50±5) МПа, прочность образцов композита ZrB2 - 20 % SiC - (30±5) МПа. Композиты отличались и предельной деформацией, величина  образцов слоистого композита практически в 1.5 раза превысила предельную деформацию образцов композита ZrB2 - 20 % SiC. При разрушении слоистого композита трещины изменили направление своего распространения на угол ≈ 90о на границе раздела между слоями с содержанием диоксида циркония 30 и 70 %. Энергия разрушения слоистого керамического композита ZrB2-SiC-ZrO2 значительно превышала таковую для керамики ZrB2 - 20 % SiC.

Ключевые слова

слоистый керамический теплозащитный композит, разрушение, растягивающие и сжимающие остаточные напряжения, layered ceramic thermal-protective composite, destruction, tensile and compressive residual stresses

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Бурлаченко Александр ГеннадьевичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНмл. науч. сотр.aleksburlachenko@rambler.ru
Мировой Юрий АлександровичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетинженер ИФПМ СО РАН, аспирант НИ ТПУy.a.mirovoy@gmail.com
Дедова Елена СергеевнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетк.т.н., науч. сотр. ИФПМ СО РАН, доцент НИ ТПУlsdedova@yandex.ru
Буякова Светлана ПетровнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университет; Национальный исследовательский Томский государственный университетд.т.н., профессор, гл. науч. сотр. ИФПМ СО РАН, профессор НИ ТПУ, профессор НИ ТГУsbuyakova@ispms.tsc.ru
Всего: 4

Ссылки

Parente P., Ortega Y., et al. // Acta Mater. - 2010. - V. 58. - P. 3014-3021.
Rao M.P., Sanchez-Herencia A.J., Beltz G.E., et al. // Science. - 1999. - V. 286. - P. 102-105.
Gurauskis J., Sanchez-Herencia A.J., and Baudin C. // J. Eur. Ceram. Soc. - 2007. - V. 27. - P. 1389-1394.
Lin G.Y. and Virkar A.V. // J. Am. Ceram. Soc. - 2001. - V. 84. - P. 1321-1326.
Kovar D., Thouless M.D., and Halloran J.W. // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. - V. 81. - No. 4. - P. 1004-1012.
Bermejo R., Baudın C., Moreno R., et al. // Compos. Sci. Technol. - 2007. - V. 67. - No. 9. - P. 1930-1938.
Hass D.D., Slifka A.J., and Wadley H.N.G. // Acta Mater. - 2001. - V. 49. - P. 973-983.
Evans A.G. // J. Am. Ceram. Soc. - 1990. - V. 73. - No. 2. - P. 187-206.
Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. // Механика. - 2014. - Т. 6. - № 3. - С. 60-65.
Pontin M.G., Rao M.P., Sanchez-Herencia A.J., and Lange F.F. // J. Am. Ceram. Soc. - 2002. - V. 85. - P. 3041-3048.
Zhao M.H., Chen X., Yan J., and Karlsson A.M. // Acta Mater. - 2006. - V. 54. - P. 2823-2832.
Suresh S. and Giannakopoulos A.E. // Acta Mater. - 1998. - V. 46. - P. 5755-5767.
Lee Y.H. and Kwon D. // Scripta Mater. - 2003. - V. 49. - P. 459-465.
Tsui T.Y., Oliver W.C., and Pharr G.M. // J. Mater. Sci. - 1996. - V. 11. - P. 752-759.
Bolshakov A., Oliver W.C., and Pharr G.M. // J. Mater. Res. - 1996. - V. 11. - P. 760-768.
Quinn G.D. and Bradt R.C. // J. Am. Ceram. Soc. - 2007. - V. 90. - P. 673-680.
Zhao X. and Xiao P. // Surf. Coat.Technol. - 2006. - V. 201. - P.1124-1131.
De Portu G., Micele L., Sekiguchi Y., and Pezzotti G. // Acta Mater. - 2005. - V. 53. - P. 1511-1520.
Diniz A.V., Ferreira N.G., Corat E.J., and Trava-Airoldi V.J. // Diam Relat. Mat. - 2004. - V. 13. - P. 526-532.
Tanaka M., Kitazawa R., Tomimatsu T., et al. // Surf. Coat Technol. - 2009. - V. 204. - P. 657- 660.
 Механическое поведение слоистого керамического композита ZrB<sub>2</sub>-ZrO<sub>2</sub>-SiC | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/121

Механическое поведение слоистого керамического композита ZrB2-ZrO2-SiC | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/121