晶须泊松比计算及晶须增强陶瓷复合材料硬度预报

作     者：陈飞 闫柯 洪军 朱永生 CHEN Fei;YAN Ke;HONG Jun;ZHU Yongsheng

作者机构：西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049 

出 版 物：《复合材料学报》 (Acta Materiae Compositae Sinica)

年 卷 期：2022年第39卷第12期

页      面：5996-6003页

核心收录：

学科分类：0711[理学-系统科学] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0811[工学-控制科学与工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金-优秀青年基金(52022077)。 

主　　题：晶须 陶瓷 泊松比 第一性原理 硬度 

摘      要：晶须在强化陶瓷材料强度和韧性的同时能显著提高材料硬度,在解决陶瓷硬度不足上具有突出优势。针对目前实验法研究晶须增强陶瓷材料中存在组分设计盲目性大、试样制备耗时费力等问题,以β-Si_(3)N_(4)晶须(β-Si_(3)N_(4)w)增强Si_(3)N_(4)陶瓷为对象,提出了一种计算晶须泊松比的双向随机建模方法,并基于密度泛函理论(DFT)框架下平面超软赝势法和广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Wang 91(PW91)函数,对β-Si_(3)N_(4)超晶胞泊松比进行了计算。以此为基础,提出了运用德劳内(Delaunay)三角剖分法和伪随机函数法建立β-Si_(3)N_(4)w增强Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构模型的方法,对模型硬度进行了预报并对β-Si_(3)N_(4)w增硬机制进行了探讨。结果表明,βSi_(3)N_(4)w泊松比约为0.27。β-Si_(3)N_(4)w增强Si_(3)N_(4)陶瓷硬度预报值与相关实验测试值存在较好一致性,这表明了晶须泊松比计算模型和晶须强韧陶瓷微观结构建模法的有效性。在β-Si_(3)N_(4)w含量为3wt%时,硬度达到最大值22.80 GPa。应力分析表明β-Si_(3)N_(4)w各向分布性分散了应力集中作用区并依靠β-Si_(3)N_(4)w高强度特性承载了大量应力的作用,这是硬度提高的主要原因。