王安哲 ,王 帥 ,趙欣源 ,張 潔 ,程業(yè)紅 ,周 鵬

(南京工程學(xué)院1.江蘇省先進結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室,2.材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211167;3.中國科學(xué)院金屬研究所,沈陽 110016;4.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造技術(shù)研究院,深圳 518055;5.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,天津 300131)

0 引言

陶瓷材料作為高端裝備、航空航天和海洋裝備等方面的基礎(chǔ)原材料和核心部件材料,發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存。在軍事領(lǐng)域,陶瓷因具有高熔點、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性及抗氧化燒蝕性能等而得到關(guān)注,是高超聲速飛行器和高推重比航空發(fā)動機等裝備研發(fā)的重要候選材料[1-2];在民用領(lǐng)域,陶瓷可以替代金屬用于制造軸承、剎車片、燃氣輪機葉片以及切割加工刀具等部件[3-4],同時在人工關(guān)節(jié)、骨材料和口腔材料等領(lǐng)域也備受關(guān)注[5]。陶瓷材料一般基于Hall-Petch細晶強化理論進行設(shè)計,但實際強度往往達不到設(shè)計值。陶瓷中缺陷的控制是提高其強度的關(guān)鍵,因此深入理解缺陷對陶瓷強度的影響規(guī)律對于實現(xiàn)陶瓷材料的可靠應(yīng)用并拓寬其應(yīng)用場景至關(guān)重要。

國外很多研究團隊已圍繞著孔洞分布、晶粒尺寸與材料失效概率關(guān)系方面開展了大量統(tǒng)計學(xué)研究,同時在陶瓷材料的裂紋-強度定量關(guān)系方面也有系統(tǒng)深入的研究(裂紋是最危險的缺陷)。國內(nèi)在該領(lǐng)域研究雖起步較晚,但近些年在陶瓷材料的孔洞-強度定量預(yù)測方面發(fā)展迅速,同時借助飛秒激光技術(shù),實現(xiàn)了陶瓷中微孔的精確引入,并在此基礎(chǔ)上驗證與優(yōu)化了強度預(yù)測模型。作者進行綜述的對象為各向同性致密塊狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料,不包括多孔陶瓷、梯度功能陶瓷及陶瓷涂層,也不涉及含碳纖維、石墨片等增韌相的陶瓷基復(fù)合材料,主要介紹了陶瓷制備過程中常見的缺陷以及其中對強度危害較大、受關(guān)注度較高的缺陷類別,缺陷-強度響應(yīng)定性的統(tǒng)計學(xué)和定量預(yù)測方面的建模研究進展,人造缺陷的引入方法,缺陷檢測提取、有限元模擬、簡化等效等相關(guān)輔助研究方法,并對該領(lǐng)域未來研究發(fā)展趨勢進行分析和預(yù)測。

1 缺陷的主要種類

根據(jù)缺陷形成機制不同,陶瓷中的缺陷可大致分為本征缺陷和非本征缺陷兩大類。前者是指陶瓷制備過程中形成的缺陷,如微裂紋(各向異性熱膨脹或相變等導(dǎo)致)[6]、孔洞[6]、團聚[7]、夾雜物[8-9]、異常長大的晶粒[10]等;后者是指陶瓷在后續(xù)機加工時引入的表面損傷[11]。隨著對失效理解的加深,人們愈發(fā)重視對陶瓷中缺陷的控制,一般要求在材料使用前消除非本征缺陷,同時盡可能抑制本征缺陷的產(chǎn)生。在本征缺陷中對強度危害最大的是微裂紋和孔洞,微裂紋可通過調(diào)控工藝參數(shù)消除,而孔洞則幾乎無法避免,并且陶瓷中孔洞的尺寸(亞微米至毫米級)、形狀(球形、細長形等)和位置各異,導(dǎo)致抗彎強度呈現(xiàn)很大的離散性[12]。尺寸較大的孔洞,會導(dǎo)致特征強度近1 GPa的ZrO2陶瓷的實際抗彎強度僅為732 MPa,強度保持率不足75%,甚至低于工程材料常用負載閾值(特征強度的80%),這可能導(dǎo)致陶瓷部件的異常斷裂,進而引發(fā)災(zāi)難性事故。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張幸紅團隊在對復(fù)相陶瓷的典型代表——ZrB2-SiC陶瓷研究時發(fā)現(xiàn):固有孔洞可以分為肉眼可見的尺寸較大的單個孔洞和大面積的小孔洞聚集以及肉眼不可見的單個小孔洞;隨機挑選的試樣的抗彎強度為(681±144) MPa,明顯低于無肉眼可見缺陷試樣[(740±69) MPa],且分散性更大;含有大面積聚集小孔洞試樣的抗彎強度(732 MPa)與含肉眼不可見缺陷試樣的抗彎強度(740 MPa)基本一致,而含有單個大孔洞試樣的抗彎強度平均值僅為516 MPa[13-14]。由此可見,單個大孔洞是導(dǎo)致ZrB2-SiC陶瓷強度降低的主要因素,也是陶瓷強度預(yù)測應(yīng)當關(guān)注的重點。

2 定性的統(tǒng)計學(xué)建模

陶瓷強度預(yù)測的統(tǒng)計學(xué)建模研究主要以Weibull分布和正態(tài)分布為藍本,圍繞孔洞分布、晶粒尺寸與材料失效概率展開。中國長安大學(xué)與澳大利亞西澳大學(xué)的研究團隊通過統(tǒng)計表面缺陷對晶粒尺寸介于2～20 μm 的Al2O3、SiC和Si3N4等陶瓷抗彎強度的影響規(guī)律,建立了陶瓷抗彎強度與平均晶粒尺寸和斷裂韌度的正態(tài)分布關(guān)系模型[15-16]。日本橫濱國立大學(xué)的Ozaki團隊提出了一種有限元分析模型,可用于評估陶瓷失效概率與固有缺陷分布特征間的關(guān)系,陶瓷中的微觀結(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù)(即相對密度、孔洞的尺寸和縱橫比、晶粒尺寸等)由各種概率密度函數(shù)近似,并通過斷裂力學(xué)模型反映在損傷模型的參數(shù)中;采用該模型對Al2O3/SiC陶瓷以及3種不同溫度燒結(jié)的Al2O3精細陶瓷的抗彎強度進行預(yù)測,結(jié)果表明通過模型預(yù)測創(chuàng)建的強度Weibull分布與由三點彎曲試驗獲得的分布趨勢吻合[17-19]。NAKAMURA等[20]通過光學(xué)顯微鏡測量得到Al2O3陶瓷中的缺陷尺寸及其分布規(guī)律,在線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上,用包含缺陷尺寸因子的簡單方程描述了缺陷與強度之間的關(guān)系,方程計算得到的平均抗彎強度及Weibull模數(shù)均與實測結(jié)果接近。COOK等[21]通過對強度分布的去卷積缺陷群分析,將陶瓷力學(xué)性能與可靠性數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)量和組件壽命聯(lián)系起來,最終形成了涵蓋玻璃、玻璃陶瓷、單晶和多晶陶瓷等7種脆性材料的強度分布與表面、邊緣等4類缺陷的缺陷群共軛關(guān)系模型。

除進行強度預(yù)測建模外,統(tǒng)計學(xué)方法也常被用于分析陶瓷材料的隨機失效問題。HOGAN 等[22]針對熱壓燒結(jié)制備的B4C陶瓷,借助掃描電鏡觀察確定了氮化鋁夾雜、小石墨顆粒/孔以及較大的石墨片等3種不均勻缺陷分布,采用Matlab圖像處理技術(shù)及統(tǒng)計學(xué)方法探討了這些缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)與材料抗壓強度和斷裂失效間的對應(yīng)關(guān)系。這為未來解釋其他陶瓷材料的隨機失效問題提供了可行的研究思路。采用統(tǒng)計學(xué)法評價或預(yù)測缺陷與陶瓷強度的關(guān)系,被公認為是促進和增強陶瓷部件和構(gòu)件使用安全性的有效方法;但該方法的不足之處在于只能定性描述陶瓷強度與固有缺陷以及材料微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,難以對特定部件的承載極限做出準確評價。

3 定量預(yù)測建模

相比于前述統(tǒng)計學(xué)方法,定量預(yù)測模型通過材料學(xué)和力學(xué)等分析手段,可以評價特定缺陷(如裂紋或孔洞)對陶瓷強度的危害并預(yù)測材料實際斷裂強度,若結(jié)合無損探傷則可實現(xiàn)真正的斷前預(yù)測。這對于拓寬陶瓷在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,保障結(jié)構(gòu)安全等方面具有重要意義。根據(jù)前面缺陷種類的分析,裂紋和孔洞對陶瓷強度危害的關(guān)注度最高。其中,裂紋問題的研究又是解決孔洞問題的基礎(chǔ),這是因為裂紋和孔洞導(dǎo)致陶瓷脆斷的本質(zhì)都是應(yīng)力集中,不同之處在于孔洞處的尖銳度遠未達到裂紋尖端的原子級別。

關(guān)于陶瓷裂紋-強度預(yù)測方面的研究,1913年,INGLIS[23]最早提出了橢圓形裂紋假設(shè),并給出了均勻拉應(yīng)力狀態(tài)下含橢圓孔的無限大平板局部應(yīng)力狀態(tài)及其斷裂強度。GRIFFITH 在對玻璃樣品研究后發(fā)現(xiàn),含裂紋試樣的抗彎強度與裂紋長度根號值的乘積為定值[24]。IRWIN[25]針對無限大塊體中的扁平橢圓形裂紋在均勻張力下的最典型問題,成功將非線性和不可逆性引入線彈性斷裂力學(xué)框架。在此基礎(chǔ)上,研究人員針對有限體,使用近似分析方法(如交替方法[26-28]和有限元法[29-31])獲得了半橢圓形裂紋的應(yīng)力強度因子,利用強度因子計算值可以反推材料的臨界斷裂強度。之后,NEWMAN 等[32]又提出了表面裂紋應(yīng)力強度因子的經(jīng)驗計算方程(相對誤差10%以內(nèi)),但僅適用于泊松比為0.3的脆性材料。STROBL等[33]在其基礎(chǔ)上考慮了不同泊松比(0.07～0.40)的影響,提出了新的陶瓷裂紋-強度預(yù)測模型,但模型對裂紋形貌和試樣尺寸都有明確的約束(如裂紋深度與試樣厚度之比在0.01～0.5,裂紋深度與裂紋半寬度之比在0.4～1.2等),且計算繁瑣,特別是裂紋形狀因子計算公式冗長。

另一類常用的裂紋-強度定量預(yù)測模型是YUKITAKA 等[34]在研究金屬材料時基于垂直于最大拉應(yīng)力方向的裂紋截面積而建立的,見式(1),該模型適用于半圓形、半橢圓形和方形等多種裂紋截面形狀且計算過程簡單。考慮到缺陷引發(fā)的陶瓷和金屬的破壞都是由于缺陷處的應(yīng)力集中達到臨界值,該模型可能同樣適用于預(yù)測陶瓷的強度。基于此,日本橫濱國立大學(xué)研究團隊進一步考慮了過程區(qū)尺寸失效準則[35],提出了含裂紋Al2O3/SiC陶瓷斷裂強度的定量預(yù)測模型,見式(2)[36]。

式中:σf為含裂紋陶瓷的斷裂強度;σ0為原始屈服強度;KⅠc為斷裂韌度;S為垂直于拉應(yīng)力方向的裂紋截面積。

胺碘酮對心臟瓣膜術(shù)后華法林初始抗凝療效的影響………………………… 成守龍，苗 苗，劉 ?。?·438）

上述研究雖然僅適用含裂紋缺陷陶瓷,但對于陶瓷孔洞-強度響應(yīng)的建模仍具有重要意義。裂紋可視為孔洞的極限情況,若能科學(xué)描述應(yīng)力強度因子隨孔洞尖銳度的變化規(guī)律,進而在裂紋-強度模型的基礎(chǔ)上引入應(yīng)力強度因子修正系數(shù),則有望獲得孔洞-強度響應(yīng)預(yù)測模型。基于該思路,WANG等[37]借鑒GóMEZ團隊[38]和張顯程團隊[39]提出的陶瓷應(yīng)力強度因子與缺陷尖端半徑的定量關(guān)系,分別建立了規(guī)則截面形狀孔洞作用下I型破壞時的斷裂強度預(yù)測模型,如下:

基于GóMEZ團隊提出的理論所建立的模型:

基于張顯程團隊所提出的理論所建立的模型:

式中:r為孔洞的尖端半徑;n為與泊松比ν正相關(guān)的無量綱數(shù)(ν=0～0.3時對應(yīng)n=0.629～0.650);G為平均晶粒尺寸;β為與材料屬性有關(guān)的無量綱系數(shù),取0.7～1.3。

相比之下,基于GóMEZ團隊提出的理論所建立的模型使用更加方便,僅需測得陶瓷的斷裂韌度和固有強度,即可判定特定孔洞的危害;而基于張顯程團隊所提出的理論所建立的模型還需測定平均晶粒尺寸G和無量綱系數(shù)β。

上述模型主要針對I型裂紋或孔洞問題,且缺陷的截面形狀必須是規(guī)則對稱圖形(如橢圓形、矩形、三角形等),但實際情況下引發(fā)陶瓷破壞的缺陷往往是不規(guī)則的。為了能夠定量描述實際孔洞等缺陷的危害,最近ZHAO 等[40]針對調(diào)研發(fā)現(xiàn)的表面普遍存在的類梯形截面不規(guī)則缺陷,基于有限元計算及擬合分析方法,將規(guī)則孔洞-強度預(yù)測模型推廣至含不規(guī)則孔洞陶瓷強度預(yù)測,建立了如下表達式:

式中:σfi為含不規(guī)則孔洞陶瓷的斷裂強度;σfr為含相同截面積規(guī)則孔洞陶瓷的斷裂強度,可由式(3)或式(4)計算得到;θ為類梯形孔洞截面幾何傾角。

陶瓷強度不僅受缺陷的尺寸和形狀影響,還與缺陷的取向和位置有關(guān)。在考慮缺陷取向方面,可基于混合型斷裂準則(最大正應(yīng)力準則[41]和最大應(yīng)變能釋放率準則[42-43])對前述模型進行修正。其中:最大正應(yīng)力準則假設(shè)當材料所受的拉應(yīng)力分量導(dǎo)致的應(yīng)力強度因子達到臨界值時,材料發(fā)生災(zāi)難性破壞;最大應(yīng)變能釋放率準則假設(shè)裂紋沿應(yīng)變能釋放率最大的方向擴展。相較之下,最大應(yīng)變能釋放率準則在ZrB2基超高溫陶瓷[44]的強度預(yù)測中表現(xiàn)出更高的精度。在考慮缺陷位置方面,TANIGUCHI 等[45]提出式(6)描述其影響,SAKAMOTO 等[46]基于Al2O3陶瓷驗證了式(6)的準確性。

總的來說,現(xiàn)有缺陷-強度的定量預(yù)測模型比較全面地涵蓋了I型和混合破壞模式下裂紋和孔洞類缺陷問題,也能夠合理描述缺陷位置的影響,基本實現(xiàn)了各類人工孔和形狀較為簡單的固有孔對陶瓷強度影響的定量預(yù)測。但是,考慮到陶瓷實際的固有孔洞形狀比現(xiàn)有研究涵蓋的情況更為復(fù)雜,如何將模型推廣用于解決更多的實際問題仍任重道遠。如要取得突破,可能還需要更高精度的缺陷檢測技術(shù)、科學(xué)合理的缺陷簡化等效方法以及大量的試驗驗證工作。

4 人造缺陷的引入及強度預(yù)測

陶瓷中人工可控缺陷的引入一直是研究的難點和關(guān)注的焦點,因為這直接關(guān)系到強度模型準確性的驗證。陶瓷材料因強度/硬度高、脆性大等特點,其可控缺陷的引入非常困難。研究人員最早采用壓痕法引入缺陷,通常借助努氏或維氏硬度計在陶瓷試樣表面壓制壓痕,通過調(diào)節(jié)壓制載荷獲得不同尺寸的壓痕裂紋缺陷,再將壓痕凹坑打磨去除,得到半圓或半橢圓的表面裂紋型缺陷。將這些含裂紋型缺陷的陶瓷試樣退火處理后進行強度測試,用于驗證陶瓷的裂紋-強度預(yù)測模型。這種方法又稱為“壓痕-強度法”,但因裂紋尺寸和形狀無法獨立控制且受殘余應(yīng)力影響而難以準確評估預(yù)測模型。

另一種常用的缺陷引入方法是燒結(jié)前在陶瓷粉體中混入已知大小的有機顆粒,通過高溫燒結(jié)將這些有機顆粒燒損消耗,從而形成孔洞類缺陷。FLINN等[47]使用該方法在Al2O3陶瓷中成功引入了直徑在25～120 μm 的球形孔洞。SAKAMOTO等[46]使用該方法在Al2O3陶瓷中引入了百微米量級尺寸的表面和內(nèi)部人工球形孔,采用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(OCT)檢測了含人工孔的待測試樣,基于式(6)預(yù)測了每個試樣的最低強度,預(yù)測強度與三點彎曲試驗強度高度一致(平均相對誤差為4.6%),實際斷裂源也與OCT 觀測結(jié)果相同,證明了該強度預(yù)測方法的有效性。但是,通過燒損有機顆粒引入的孔洞位置是隨機分布的,且燒結(jié)過程中留下的孔洞形狀不可控,特別是在壓力燒結(jié)情況下。

聚焦粒子束(FIB)和飛秒激光加工技術(shù)在高精度微納尺度加工領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢,近年來開始被研究人員應(yīng)用于陶瓷中缺陷的制備。2018 年,SATO等[36]率先采用FIB技術(shù)在Al2O3/SiC陶瓷表面成功引入長度在20.0～60.1 μm、深度在19.4～24.1 μm的微孔,微孔截面形狀近似為矩形且輪廓平整光滑,加工質(zhì)量好;抗彎強度測試結(jié)果與基于式(2)的理論預(yù)測值吻合較好,但在微孔截面積較小時存在明顯偏差,這主要歸因于所采用的預(yù)測模型是針對裂紋而建立的,忽略了微孔尖銳度的影響,導(dǎo)致預(yù)測值偏低。

飛秒激光加工技術(shù)作為另一種高精度加工方法也備受關(guān)注。WANG 等[48]于2017年借助高精度飛秒激光加工系統(tǒng)在ZrB2-SiC超高溫陶瓷表面成功制備了長度為20,50 μm 的微孔洞,之后通過調(diào)控激光工藝實現(xiàn)了對不同尖銳度(≥0.5 μm)、長度(≥1 μm)和深度(≥1 μm)孔洞的精確控制,孔洞截面形狀同樣近似為規(guī)則矩形且輪廓較為光滑,未發(fā)現(xiàn)重熔和再結(jié)晶現(xiàn)象[37,44,49];通過對比強度測試值與模型預(yù)測值發(fā)現(xiàn),式(3)和式(4)對含人工微孔洞的ZrB2-SiC、ZrB2、5Y-TZP(質(zhì)量分數(shù)5%氧化釔穩(wěn)定四方多晶氧化鋯)、Si3N4和SiC陶瓷的強度預(yù)測均具有很高的精度,且適用于不同尖銳度的孔洞[37],此外式(3)還可以準確預(yù)測含不同尺寸和不同形貌表面人工孔的ZrB2-SiC 陶瓷的強度。ZHAO等[40]通過激光方法在5Y-TZP和SiC陶瓷表面引入了類梯形截面的不規(guī)則孔洞,基于I型破壞模式下含規(guī)則截面形狀孔洞陶瓷強度的準確預(yù)測,采用式(5)對含不規(guī)則孔洞陶瓷的強度進行了預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果的最大相對誤差約為7%,驗證了式(5)的準確性。

FIB和飛秒激光技術(shù)均能實現(xiàn)陶瓷表面孔洞的精確控制,但內(nèi)部缺陷的引入目前還只能采用在燒結(jié)前混入有機顆粒的方法。作者也關(guān)注到一種激光內(nèi)雕方法,該法通過給透明材料施加足夠高光強的激光,產(chǎn)生非線性效應(yīng),誘發(fā)焦點處短時吸收大量能量而產(chǎn)生微爆裂,從而引入復(fù)雜的構(gòu)型(如玻璃中引入“磚泥結(jié)構(gòu)”[50])。這種引入缺陷的加工原理同樣適用于透明陶瓷。但是,激光內(nèi)雕方法在調(diào)控缺陷尺寸和形貌方面難度較大,產(chǎn)生的缺陷均為不規(guī)則放射狀裂紋,尚無法實現(xiàn)精準可控。

5 其他相關(guān)研究

不論是統(tǒng)計學(xué)分析,還是定量評價,陶瓷缺陷的檢測與提取技術(shù)都是最終實現(xiàn)強度準確預(yù)測的前提及重要輔助工具。目前陶瓷的無損檢測技術(shù)很多,優(yōu)缺點也十分鮮明[51],如:敲擊檢查、聲發(fā)射和紅外熱成像等技術(shù),雖快速簡便,但檢測精度低[52-54];機器視覺法僅能用于表面缺陷檢測[55-56];超聲波檢測快速、經(jīng)濟,但檢測靈敏度與缺陷深度有關(guān),對氣孔等體積缺陷的檢出率不高;激光超聲波檢測精度更高,但能量轉(zhuǎn)換率低、信號弱[57];X射線斷層掃描檢測范圍大、成像性能好,適用于內(nèi)外細小缺陷檢測,但檢測效率低、成本高,不適合大塊陶瓷材料。從基礎(chǔ)研究角度看,現(xiàn)有的X射線斷層掃描技術(shù)已基本能夠滿足對各類精細陶瓷的缺陷檢測[14,58-59],但在工程應(yīng)用領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)復(fù)雜或大型陶瓷構(gòu)件的檢測仍面臨諸多困難。

此外,在理論建模過程中,通常要對復(fù)雜固有缺陷進行簡化,當借助理論模型指導(dǎo)強度預(yù)測時,同樣會將材料中復(fù)雜固有缺陷簡化等效為模型可描述缺陷,這種簡化也會降低預(yù)測結(jié)果的準確性。目前,常用的微孔簡化方法用涵蓋該孔洞所有特征或最大特征尺寸的圓球或橢球來替代復(fù)雜固有孔洞,通常以孔洞處的應(yīng)力集中程度作為評價指標。QIAN等[60]利用有限元方法對比分析了簡化前后微孔處的應(yīng)力集中程度,發(fā)現(xiàn)簡化橢球附近的應(yīng)力狀態(tài)更接近于固有孔洞,但與真實情況仍存在一定差距,這主要是由于在簡化過程中忽略了復(fù)雜孔洞大量的形狀特征。PLESSIS等[61]通過有限元法分析了由計算機斷層掃描(CT)檢測提取的鈦鋁合金內(nèi)部孔洞應(yīng)力狀態(tài),發(fā)現(xiàn)當孔洞尺寸在垂直于拉應(yīng)力方向上相近時,在平行于拉應(yīng)力方向上就越大(表明孔洞的尖銳程度越低),應(yīng)力集中程度越低,這證明了孔洞尖銳度對材料強度的影響同樣至關(guān)重要。雖然目前缺陷的簡化等效研究主要集中在金屬材料中的孔洞上,但這些研究可為陶瓷中復(fù)雜孔洞的簡化等效提供思路和借鑒。

6 結(jié)束語

經(jīng)過百余年的發(fā)展,人們針對典型缺陷影響下陶瓷的強度預(yù)測問題開展了系統(tǒng)深入的研究,包括定量研究和統(tǒng)計學(xué)研究。定量研究側(cè)重于揭示特定人工裂紋或孔洞對陶瓷強度的影響規(guī)律,目前已開發(fā)出一些高精度的普適性預(yù)測模型,但這些模型仍限于形狀簡單的人工缺陷。由于實際固有孔洞等缺陷遠比人工缺陷復(fù)雜,定量研究尚難以進行準確預(yù)測。統(tǒng)計學(xué)研究能夠較為系統(tǒng)地描述各類缺陷(裂紋、孔洞、夾雜物、增韌相等)及材料微觀結(jié)構(gòu)(致密度、晶粒尺寸等)與陶瓷強度的關(guān)系。相比于現(xiàn)有的定量研究,統(tǒng)計學(xué)法已將缺陷間的相互影響納入研究范疇,模型預(yù)測時更加貼近陶瓷的實際服役情況。但是,統(tǒng)計學(xué)方法一般僅提供某一材料在特定應(yīng)力水平下的失效概率,容易導(dǎo)致“大材小用”,即選用的陶瓷材料性能遠超實際使用要求,且在陶瓷服役過程中無法做到基于無損檢測的可靠性判定。

隨著無損檢測、計算機模擬、原位測試等技術(shù)的快速發(fā)展,陶瓷缺陷-強度預(yù)測領(lǐng)域可能的發(fā)展方向如下。

(1) 在定量研究方面:①參考金屬材料領(lǐng)域的研究方案,通過無損檢測提取缺陷特征,基于數(shù)值模擬對固有缺陷進行合理簡化與等效,進而將現(xiàn)有定量模型用于解決固有缺陷的強度預(yù)測問題;② 針對固有缺陷開展原位力學(xué)測試,揭示缺陷致裂機制及陶瓷強度響應(yīng)規(guī)律;③借鑒多裂紋相互作用理論,結(jié)合試驗和模擬等手段,探究多孔洞相互影響機制,進而解決更貼近陶瓷實際微觀結(jié)構(gòu)影響下的強度預(yù)測問題。

(2) 在統(tǒng)計學(xué)研究方面:①建立典型陶瓷材料的強度響應(yīng)標準化數(shù)據(jù)庫,方便其工程應(yīng)用;② 開展各向異性陶瓷基復(fù)合材料的強度預(yù)測及可靠性評價工作。

除了對靜載荷下陶瓷的強度進行預(yù)測外,未來這些方法也可被用于研究在實際服役環(huán)境(疲勞、腐蝕、振動、熱沖擊等)下缺陷對陶瓷各理化性能的影響。