Vliv tloušťky vrstev keramického laminátu na bifurkaci trhliny

Abstract

Z důvodu rozdílných koeficientů délkové teplotní roztažnosti jednotlivých vrstev vzniká ve vrstvách keramického vrstevnatého kompozitního materiálů reziduální napětí. V průběhu chladnutí vrstevnatého kompozitu ze slinovací teploty jednotlivé vrstvy smršťují různými rychlostmi v závislosti na velikosti koeficientu délkové teplotní roztažnosti. Jestliže jsou tyto vrstvy spolu pevně spojeny vzniká v jednotlivých vrstvách různě velké trvalé zbytkové napětí. Velikost residuálního napětí je dána objemovým podílem obou složek v kompozitu. Tato práce byla zaměřena na přípravu a popis 7-mi a 9-ti vrstevných keramických laminátů složených ze střídajících se vrstev dvou rozdílných materiálů. Keramické lamináty byly připraveny pomocí metody suspenzního lití a elektroforetické depozice. U připravených laminátu byl sledován vznik tzv. hranových trhlin (edge cracks) ve vrstvách obsahujících tlaková zbytková pnutí. Výsledky pozorování přítomnosti hranových trhlin pro různou konfiguraci velikosti zbytkových napětí a tloušťky vrstev byly srovnány s teoretickou předpovědí vytvořenou pomocí parametrického 2D modelu. Vliv vzniklých hranových trhlin na průběh lomu byl studován pomocí 3D rekonstrukce lomového povrchu po ohybové zkoušce připravených vrstevnatých kompozitů.

In layered ceramic composite materials the internal residual stresses occur due to thermal expansion coefficient mismatch of individual layers. During cooling of layered composite from sintering temperature the layers start to shrink with different rate according to the thermal expansion coefficient. Permanent compressive and tensile residual stresses generate in individual layers if they are strongly bonded together. Magnitude of the residual stresses is controlled by volume ratio between two combined materials. In this work, ceramic laminates consisted of 7 and 9 alternated layers combining two different ceramic materials were prepared by sequential slip casting and electrophoretic deposition and subsequently studied. The prepared laminates were analyzed for existence of edge cracks in layers containing compressive residual stresses. By using results of 2D parametric numerical model and combination of compressive residual stress and layer thickness, the prediction of presence and absence of edge cracking were compared with the actual presence and absence of edge cracks in compressive layers. The crack bifurcation caused by edge cracks presence was studied on the 3D fracture surfaces reconstruction of laminate prepared after testing of flexural strength.