【摘 要】
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随着科学技术的不断进步,低温技术的应用越来越广,因而应用于低温下的材料受到了科学工作者的极大关注.氮化铝陶瓷具有高热导率、低介电常数等特性,在低温工程领域具有应用价
【机 构】
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清华大学材料学院,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084
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随着科学技术的不断进步,低温技术的应用越来越广,因而应用于低温下的材料受到了科学工作者的极大关注.氮化铝陶瓷具有高热导率、低介电常数等特性,在低温工程领域具有应用价值,如可用于制冷机直接冷却的超导磁体系统等.本文首次研究了氮化铝陶瓷从室温至低温下(293,195和77K)的力学行为.实验发现:当温度从293K降低至77K时,氮化铝陶瓷断裂韧性从3.98±0.19 MPa m1/2升高到4.59±0.28 MPa m1/2,抗弯强度从364.6±29.2 MPa增加至415.3±21.7 MPa.针对这一变化,重点研究了试样断口表面形貌,穿晶和沿晶两种断裂模式的能量释放率比例,氮化铝陶瓷的晶格常数以及维氏压痕裂纹尺寸在室温和低温下的变化及规律.扫描电镜分析表明,当温度从293K降低至77K时,试样断口穿晶断裂比例从7.3％上升到14.5％.这一变化是由于氮化铝陶瓷晶粒和第二相的热膨胀系数不同导致的.在77K下试样内部残余应力增加,裂纹扩展路径的偏转角变小,穿晶断裂更容易发生.穿晶断裂的氮化铝晶粒表面存在明显的解理台阶,相对于沿晶断裂需要消耗更多的裂纹扩展驱动力,导致断裂表面能增加.通过在线XRD测试,测量计算了不同温度下氮化铝陶瓷的晶格常数.结果表明:随着温度的降低,氮化铝陶瓷原子间距减小,弹性模量增加.液氮温度77K下氮化铝陶瓷力学行为发生变化的原因是由于(1)穿晶断裂比例增加;(2)弹性模量增加;(3)断裂表面能增加.相信上述工作能够加深对氮化铝陶瓷低温性能的了解,推动其在低温工程领域的使用.
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