Micromechanical characterization of microwave dielectric ceramic BaO–Sm 2O 3–5TiO 2 by indentation and scratch methods

纳米压痕 材料科学 缩进 努氏硬度试验 断裂韧性 复合材料 陶瓷 脆性 弹性模量 压痕硬度 微观结构
作者
Ming Liu,Zhitong Xu
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Nature]
卷期号:: 1-30
标识
DOI:10.26599/jac.2023.9220744
摘要

Mechanical characterization of dielectric ceramics, which have drawn extensive attention in wireless communication, remains challenging.The micromechanical properties with the microstructures of dielectric ceramic BaO-Sm 2 O 3 -5TiO 2 (BST) were assessed by nanoindentation, microhardness, and microscratch tests under different indenters, along with the X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and Raman spectroscopy.Accurate determination of elastic modulus (E IT ) (i.e., 260 GPa) and indentation hardness (H IT ) (i.e., 16.2 GPa) of brittle BST ceramic by the instrumented indentation technique requires low loads with little indentation-induced damage.The elastic modulus and indentation hardness were analyzed by different methodologies such as energy-based approach, displacement-based approach, and elastic recovery of Knoop imprint.Consistent values (about 3.1 MPa•m 1/2 ) of fracture toughness (K C ) of BST ceramic were obtained by different methods such as the Vickers indenter-induced cracking method, energy-based nanoindentation approaches, and linear elastic fracture mechanics (LEFM)-based scratch approach with a spherical indenter, demonstrating successful applications of indentation and scratch methods in characterizing fracture properties of brittle solids.The deterioration of elastic modulus or indentation hardness with the increase in indentation load (F) is caused by indentation-induced damage and can be used to determine the fracture toughness of material by energy-based nanoindentation approaches, and the critical void volume fraction (f * ) is 0.27 (or 0.18) if elastic modulus (or indentation hardness) of the brittle BST ceramic is used.The fracture work at the critical load corresponding to the initial decrease in elastic modulus or indentation hardness can also be used to assess the fracture toughness of brittle solids, opening new venues of the application of nanoindentation test as a means to characterize the fracture toughness of brittle ceramics.

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