Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Dec 2009)
Ceramic laminates with tailored residual stresses
Abstract
Severe environments imposed by new technologies demand new materials with better properties and ensured reliability. The intrinsic brittleness of ceramics has forced scientists to look for new materials and processing routes to improve the mechanical behaviour of ceramics in order to allow their use under severe thermomechanical conditions. The laminate approach has allowed the fabrication of a new family of composite materials with strength and reliability superior to those of monolithic ceramics with microstructures similar to those of the constituent layers. The different ceramic laminates developed since the middle 1970´s can be divided in two large groups depending on whether the development of residual stresses between layers is the main design tool. This paper reviews the developments in the control and tailoring of residual stresses in ceramic laminates. The tailoring of the thickness and location of layers in compression can lead to extremely performing structures in terms of strength values and reliability. External layers in compression lead to the strengthening of the structure. When relatively thin and highly compressed layers are located inside the material, threshold strength, crack bifurcation and crack arrest during fracture occur.<br><br>Las severas condiciones de trabajo de las nuevas aplicaciones tecnológicas exigen el uso de materiales con mejores propiedades y alta fiabilidad. La potencialidad de uso de materiales frágiles, como los cerámicos, en estas aplicaciones exige el desarrollo de nuevos materiales y métodos de procesamiento que mejoren su comportamiento mecánico. El concepto de material laminado ha permitido la fabricación de una nueva familia de materiales con tensiones de fractura y fiabilidad superiores a las de materiales monolíticos con microestructuras similares a las de las láminas que conforman el laminado. Los distintos materiales laminados desarrollados desde mediados de los años 70 se pueden dividir en dos grandes grupos, dependiendo de si el concepto básico para su diseño es el desarrollo de tensiones residuales en las láminas o cualquier otro concepto. En este artículo se revisan los avances en el ámbito de los materiales laminados diseñados utilizando las tensiones residuales como principal herramienta de diseño. La manipulación del espesor y la posición en el laminado de láminas en compresión puede dar lugar a estructuras con excelente comportamiento mecánico en términos de tensión de rotura y fiabilidad. Los laminados cuyas láminas externas están en compresión presentan altos valores de la tensión de fractura. Si se utilizan laminas finas sometidas a altos valores de compresión en el interior de las estructuras se pueden obtener valores umbrales de la tensión de fractura, bifurcación de la grieta y frenado de la grieta
