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纳米结构陶瓷涂层界面粘结性能研究
2014-06-25 08:21:57 | 编辑: |点击浏览:次| 【 【打印】【关闭】

  中国科学院力学研究所在纳米结构陶瓷涂层与合金基底的界面粘结性能、纳米结构涂层的导热性能和弹性性能等研究上取得了新进展,揭示了界面粘结性能及相关力学性能的微结构尺度效应及其物理机制。 

  陶瓷涂层由于具有良好的热绝缘、抗氧化及耐腐蚀等优异性能,在机械工程、化工、生物医疗、电子、航天航海等众多领域都有广泛应用。如航空发动机的叶片由于工作温度高达一千度以上,金属基底上往往要沉积或涂覆上一层几百微米厚的耐高温的陶瓷涂层以保护内部部件,而涂层与基底之间的界面粘结性能则关系到相关结构和部件的可靠性与服役寿命。一旦涂层与基底之间界面开裂,涂层剥落,暴露在高温下的金属基底将很快失效。因此研究涂层与基底之间的界面粘结性能、提高二者之间的界面结合强度一直是工业应用的迫切需求。而纳米结构涂层作为一种新型的结构材料,由于微结构(晶粒)从传统的微米尺度减小到百纳米甚至几十纳米,比界面积急剧增大,展现出很多不同于传统涂层及块体材料的力学性能,如模量增加、导热性降低等,那么它与基底间的界面结合强度怎样呢?对这一问题的理解不仅对指导实际应用,而且对发展微纳尺度力学都具有重要意义。 

  界面粘聚模型(Interface cohesive model)通常用于描述界面断裂过程中裂纹尖端的力学行为,反映了界面粘聚区原子所受应力及分离位移的关系:界面分离应力随位移增加首先增加,当达到最大应力即界面强度后,应力则随位移增加而减小直至消失。该模型是一个宏观唯象模型,有两个关键参数:界面断裂强度及界面断裂韧度,界面韧度(即界面粘聚能)反映了界面断裂所需的功。对实际材料宏观体系的界面结构,界面强度往往是MPa(106帕斯卡)量级,而界面开裂位移是微米(10-6米)量级;但对双材料界面分离的原子尺度模拟显示,界面强度是GPa(109帕斯卡)量级,而界面分离位移则是埃(10-10米)的量级。这种从微观到宏观的量级差异表明了界面性能的跨尺度现象,如何将界面的微观物理机制及宏观力学性能有机地结合起来一直是界面科学研究的一项挑战。 

  研究人员根据界面粘聚能的热力学定义(断裂后形成两个新表面的表面自由能之和减去断裂前两者间的界面自由能之差)、界面断裂前后表面、界面自由能及其尺度效应的介观热力学表征,结合实际陶瓷涂层/合金基底体系界面拉伸断裂的实验测量,给出了界面粘结性能尺度效应的力学模型,预测并证实了纳米结构涂层与基底之间提高近两倍的界面强度(比传统的微米结构涂层与同样基底间界面强度而言),指出微结构变化引起的涂层表面能及涂层基底间界面开裂位移的尺度效应,是导致涂层体系宏观界面强度改善的微观物理机制。进一步给出界面粘聚模型中临界位移的物理意义对应着界面材料的基本微结构尺度。 

   上述研究获得了科技部重大科学研究计划纳米“973”项目和国家自然基金委以及非线性力学国家重点实验室开放课题等的支持,由中科院力学所梁立红副研究员、魏悦广研究员以及中科院金属研究所韦华研究员等合作完成。系列相关成果发表于国际期刊(Liang et al. Surf. Coat. Tech. 2013Int. J. Heat Mass Tran. 2013J. Appl. Phys. 2010, Philos. Mag. 2013, J. Nanomater. 2011)。 

  

 

  涂层/基底体系界面粘聚的应力-位移关系,纳米结构涂层与基底间界面强度提高、临界位移(对应微结构尺度)减小。

  来源:力学研究所 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201406/t20140620_4141176.shtml 

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