Damage resistant and tolerant glass-ceramics with low-thermal expansion crystals

材料科学 热膨胀 复合材料 陶瓷 玻璃陶瓷 矿物学 热的 热力学 物理 化学
作者
Daming Sun,Qi Zhang,Tao Du,Randall E. Youngman,Lars R. Jensen,Deyong Wang,Feng Yang,Rebekka Klemmt,Morten M. Smedskjær
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier BV]
卷期号:45 (7): 117226-117226 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117226
摘要

Crack initiation and growth limit the mechanical reliability and industrial applications of oxide glasses. The conversion of glasses into glass-ceramics can help to compensate for this shortcoming, as the presence of crystals can cause crack deflection and crack bridging and then increase the fracture toughness. However, due to the different thermal expansion of crystal and glass phases, the generation of residual stress is inevitable, which will induce compressive or tensile stress in glass-ceramics, thus changing the crack propagation path and crack initiation resistance. As such, it is a challenge to simultaneously improve the fracture toughness and crack initiation resistance. In this work, we attempt to address this challenge by modifying the crystal content in Nb 2 O 5 -doped magnesium aluminoborate glass-ceramics to improve crack resistance. Due to the generation of Al 4 B 2 O 9 crystals with a lower coefficient of thermal expansion compared to the glass matrix, compressive stress is generated on the surface of the glass-ceramics, which reduces the cracking probability. At the same time, the presence of crystals causes crack deflection and crack bridging phenomena, enhancing the fracture toughness. In addition, heat-treatment also leads to an increase in the network connectivity of the glass ceramics, contributing to the improvement of its overall mechanical properties.
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