Сдвиговая прочность нанокристаллических керамических

УДК 001(06)+53(06) Прикладная физика
М.Н. НАЗАРОВ, Е.Г. СКРИПНЯК
Научный руководитель – В.А. СКРИПНЯК, д.ф.-м.н.
Томский государственный университет
СДВИГОВАЯ ПРОЧНОСТЬ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА
АЛЮМИНИЯ И ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
ПРИ ИНТЕНСИВНОМ ИМПУЛЬСИВНОМ НАГРУЖЕНИИ
В роботе представлены данные о сдвиговой прочности нанокристаллических
керамических материалов в ударных волнах. Исследованы керамические материалы двух классов: на основе оксида алюминия и диоксида циркония. Значения
сдвиговой прочности керамик получены с использованием экспериментальных
данных о распространении ударных волн в образцах нанокристаллических керамических материалов.
Механические свойства объемных наноструктурных и нанокристаллических материалов при динамическом нагружении являются предметом
изучения в последние годы [1-3].
В работе представлены данные о сдвиговой прочности керамических
материалов на основе оксида алюминия и диоксида циркония в ударных
волнах. Исследуемые нанокристаллические керамические материалы на
основе оксида алюминия были созданы в ИФПМ СО РАН [2] и имели
следующие механические характеристики: плотность – 3.55 г/см3, средний
размер кристаллитов – 70 нм, пористость – 10.1% [2]. Исследуемые нанокристаллические керамические материалы на основе диоксида циркония
имели следующие механические характеристики: плотность – 5.16 г/см3,
средний размер кристаллитов – 40 нм, пористость – 15.4% [2].
Оценки сдвиговой прочности керамики выполнены с использованием
экспериментальных данных о структуре ударных импульсов микросекундной длительности [2]. Импульсы напряжений генерировались в керамических образцах при ударе алюминиевыми пластинами толщиной 2 мм
со скоростью от 600 м/с до 1200 м/с.
Анализ ударно-волновых профилей показал, что керамика на основе
диоксида циркония с размерами кристаллитов 40 нм и пористостью 15.4%
обладает сдвиговой прочностью 0.328 ГПа. Это значение в 6 раз ниже,
чем у крупнокристаллической керамики на основе диоксида циркония с
пористостью 1%. Низкие значения сдвиговой прочности нанокерамики
связаны с ее большой пористостью.
_______________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 15
163
УДК 001(06)+53(06) Прикладная физика
Значения сдвиговой прочности у керамики на основе оксида алюминия
с размерами кристаллитов 70 нм и пористостью 10.1% - 1.4 ГПа. Указанные значения оказались сравнимыми со значениями для оксидалюминиевой керамики ENSCI с размером зерна 1 мкм и пористостью
11 %.
В результате проведенных исследований было определены величины
сдвиговой прочности двух марок нанокристаллической керамики. Обнаружено, что для этих материалов сдвиговая прочность за фронтом ударных волн с амплитудами до 20 ГПа превышает сдвиговую прочность в
упругом предвестнике. Ударное сжатие нанокерамики вызывает увеличение сдвиговой прочности. Вследствие активации межкристаллитного проскальзывания в ударной волне залечивание пор не сопровождается развитием микротрещин. В отличие от крупнокристаллической керамики,
нанокристаллическая оксид-алюминиевая керамика обладает высокой
откольной прочностью при нагружении ударными импульсами с амплитудами, превышающими предел упругости Гюгонио [1,2].
Список литературы
1.
Skripnyak V.A., Skripnyak E.G., Zukova T.V. Computer simulation of spall fracture in
ceramics under short shock pulse loading // Proc. Int. Workshop «New Models and Hydrocodes for
Shock Waves Process n Condensed Matter» Edinburgh, Scotland, UK, 19-24 May, 2002, p.p.135.
2.
Разоренов С.В., Канель., Г.И., Савиных А.С., Скрипняк В.А., Кульков С.Н. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Томск: Изд-во Том. ун-та,
2002. С. 182-187.
3.
Назаров М.Н., Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г. Зависимость эффективных механических свойств нанокристаллической керамики от параметров структуры // Тез. докл. науч.теор. конф., 16–19 сен. 2003. Новосибирск, 2003. С. 82-83.
_______________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 15
164