《超高温陶瓷材料》专题——激光切口法测量ZrB2–SiC–Graphite陶瓷的断裂韧性

张幸红 ¹，王安哲²，谢茂松 ¹，胡  平 ¹

(1. 哈尔滨工业大学航天学院，复合材料与结构研究所，哈尔滨 150001； 2. 南京工程学院材料工程学院，江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室，南京 211167)

摘  要：采用纳秒激光在 ZrB₂–SiC–Graphite(ZSG)陶瓷材料中引入了尖锐的 V 型切口，切口尖端半径小于1 μm。通过单边 V 型切口梁法测得 ZSG 陶瓷材料的断裂韧性为 3.88 MPa·m1/2，与单边预裂纹梁法结果吻合，表明激光切口法的有效性。研究了断裂韧性与激光切口深度和试样厚度比值(a/W)的关系，对于 ZSG 陶瓷，试样的 a/W 取值范围为 0.1~0.6 时能获得准确的断裂韧性值。

关键词：陶瓷；断裂韧性；激光；尖锐切口

中图分类号：TB302    文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2018)12–1707–05

网络出版时间：2018–10–25

收稿日期：2018–04–27。   

修订日期：2018–06–08。

基金项目：国家杰出青年基金(51525201)资助。

第一作者：张幸红(1972—)，男，博士，教授。

前言

       断裂韧性是结构陶瓷材料可靠性评估中一个非常重要的性能指标，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力^[1–2]。超高温陶瓷作为一种典型的结构陶瓷材料， 其断裂韧性的准确评价具有十分重要的意义。虽然现有的断裂韧性测试方法有很多，如单边切口梁 (SENB)法^[3]、单边 V 型切口梁(SEVNB)法^[4]、单边预裂纹梁(SEPB)法^[5]和压痕(IF)法^[6]等，但是这些方法均存在明显的缺点。SENB 法的切口尖端一般为 U 型，其尖端半径往往比陶瓷材料的临界开口半径大 1 个数量级，几乎不可避免的会导致断裂韧性测量值的偏大^[7]。为了获得更尖锐的切口，研究者又开发出了 SEVNB 法，该方法一般是在 U型槽的基础上通过涂有磨料的刀片反复磨削制备更尖锐的 V 型切口^[8–9]， 但采用刀片切口费时费力，而且很难制备尖端半径小于10 μm的V 型切口。SEPB 法的测试结果目前公认最接近材料真实断裂韧性，但该方法制备裂纹过程比较复杂，且制样的成功率很低。IF 法虽然操作比较简单且只需消耗很少的材料，但测试结果的分散性较大，并且采用不同计算公式得到的结果差异较大，因此无法满足准确测量断裂韧性的需求。

       随着科学技术的不断发展，激光微加工技术逐渐成熟，激光加工设备精度逐渐提高而价格不断降低，这为激光技术的广泛应用奠定了基础^[10–12]。本工作采用纳秒激光在 ZrB₂–SiC–Graphite陶瓷试样中引入尖锐切口，通过对比桥接压痕法制备真实裂纹与激光法制备尖锐切口的断裂韧性测试结果验证激光方法的有效性，在此基础上，进一步研究激光切口深度与试样厚度比值对断裂韧性测试结果的影响。

结论

利用纳秒激光成功在 ZrB₂–SiC–Graphite 陶瓷中引入了尖端半径小于 1μm 的 V 型切口。通过 SEVNB 法测得的 ZrB₂–SiC–Graphite 陶瓷断裂韧性为 3.88MPa·m^1/2，比 SENB 法测试结果低得多，但与 SEPB 法测试结果基本一致。切口深度对断裂韧性测量值的影响也很大。对于 ZrB₂–SiC–Graphite陶瓷，切口深度与试样厚度的比值在 0.1~0.6 范围内时均能获得准确的断裂韧性值。激光切口法是一种简单可靠且成本低廉的可以准确测量陶瓷材料断裂韧性的新方法。

文中部分图表