無(wú)機(jī)材料的環(huán)境效應(yīng)

1、無(wú)機(jī)材料的環(huán)境效應(yīng)內(nèi)容提要在無(wú)機(jī)材料的提取、制備、生產(chǎn)、使用及廢棄過程中，常常消耗大量的資源和能源，并排放大量的污染物，造成環(huán)境污染。無(wú)機(jī)材料工業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須要重視無(wú)機(jī)材料的環(huán)境效應(yīng)。無(wú)機(jī)材料的環(huán)境效應(yīng)包括兩個(gè)方面內(nèi)容，一是環(huán)境對(duì)無(wú)機(jī)材料的影響，即無(wú)機(jī)材料使用時(shí)，由于環(huán)境（力學(xué)的、化學(xué)的、熱學(xué)的等）的影響，性能隨著時(shí)間而下降，直至達(dá)到壽命終結(jié)的現(xiàn)象。環(huán)境對(duì)無(wú)機(jī)材料的影響主要包括材料腐蝕與疲勞。二是無(wú)機(jī)材料對(duì)環(huán)境影響，即以人類生物圈大環(huán)境為視角研究材料如何與其相適應(yīng)，使材料的制造、流通、使用、廢棄的整個(gè)生命周期都具有與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性，如低環(huán)境負(fù)荷型材料、新型陶瓷生態(tài)材料、材料的循環(huán)再

2、生等。本章從無(wú)機(jī)材料的環(huán)境效應(yīng)兩個(gè)方面著手，著重分析無(wú)機(jī)材料腐蝕產(chǎn)生的原因，討論腐蝕對(duì)材料性能的影響；分析無(wú)機(jī)材料疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征及材料的高溫蠕變特征；同時(shí)通過無(wú)機(jī)材料生命周期評(píng)估和生態(tài)設(shè)計(jì)，提出大力發(fā)展環(huán)境協(xié)調(diào)材料，推進(jìn)無(wú)機(jī)材料的再生與利用。11.1 無(wú)機(jī)材料的腐蝕 腐蝕：材料在遭受化學(xué)介質(zhì)、濕氣、光、氧、熱等環(huán)境因素作用下會(huì)發(fā)生惡化變質(zhì)的現(xiàn)象。一、腐蝕產(chǎn)生的原因（一）材料腐蝕分類（1）按作用性質(zhì)：分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕；（2）按發(fā)生腐蝕過程的環(huán)境和條件：可分為高溫腐蝕、大氣腐蝕、溶劑腐蝕、固體腐蝕等；（3）按腐蝕形態(tài)：可分為全面腐蝕和局部腐蝕。（二）無(wú)機(jī)材料腐蝕特點(diǎn)

3、無(wú)機(jī)材料的腐蝕是由于環(huán)境包括高溫腐蝕、液體腐蝕、氣體腐蝕、固體腐蝕等侵蝕無(wú)機(jī)材料，形成了反應(yīng)產(chǎn)物。無(wú)機(jī)材料的化學(xué)成分和礦物組成、表面自由能、孔隙和結(jié)構(gòu)都對(duì)材料的腐蝕帶來較大的影響。 （1）具有酸性特征的無(wú)機(jī)材料容易被具有堿性特征的環(huán)境所腐蝕，反之亦然；（2）共價(jià)鍵材料的蒸氣壓通常要比離子鍵材料的蒸氣壓大，所以前者往往更快地蒸發(fā)或升華；（3）離子鍵材料易于溶入極性溶劑中，而共價(jià)鍵材料易于溶入非極性溶劑中；（4）固體在液體中的溶解度通常隨溫度的升高而增加；（5）材料的孔隙率會(huì)降低材料的耐腐蝕性。（二）液體腐蝕液體對(duì)固體晶體材料的腐蝕是通過在固態(tài)晶體材料和溶劑之間形成一層界面或反應(yīng)產(chǎn)物而進(jìn)行的。（1

4、）間接溶解（非協(xié)同溶解、非均勻溶解）：反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度比整個(gè)固體的低，有可能形成或不形成附著表面層。（2）直接溶解（協(xié)同性溶解、均勻溶解）：固體晶體材料通過分解或通過與溶劑反應(yīng)而直接溶解到液體。在以密度為驅(qū)動(dòng)力的自由對(duì)流狀態(tài)下，描述溶解速率的基本方程是： ， （11-1）式中 g 重力加速度； 飽和液體密度，為原始密度； 動(dòng)力學(xué)粘度；x 距液體表面的距離；Di 界面擴(kuò)散系數(shù)；C* 濃度參數(shù)；* 有效邊界層厚度；R 溶質(zhì)半徑。注意：液體粘度是液體腐蝕材料的主要因素。在等熱條件下，粘度因成分變化而變化，且液體成分也影響無(wú)機(jī)固體材料的溶解度，尤其是對(duì)于液面下的無(wú)機(jī)固體材料腐蝕。（二）固體腐蝕指兩個(gè)彼

5、此接觸的不同類的固體材料間相互發(fā)生反應(yīng)所引起的腐蝕，其結(jié)果是在界面形成固體、液體或氣體的第三相。 固體與固體的反應(yīng)是以擴(kuò)散為主的反應(yīng)。擴(kuò)散方程為： DD0exp（） （11-2）式中 D 擴(kuò)散系數(shù)；D0 常數(shù)；Q 擴(kuò)散活化能；R 氣體常數(shù)；T 絕對(duì)溫度。 活化能Q的值越大，擴(kuò)散系數(shù)受溫度的影響就越大。擴(kuò)散形式：體積擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和表面擴(kuò)散。由于物質(zhì)遷移速度較慢限制了反應(yīng)速率，則完全以固體狀態(tài)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)比含有氣體或液體的反應(yīng)少。 （三）氣體腐蝕1氣體侵蝕情況氣體侵蝕：氣體滲透進(jìn)材料孔隙中與材料進(jìn)行反應(yīng)導(dǎo)致腐蝕的現(xiàn)象。氣體侵蝕現(xiàn)象比液體或固體腐蝕嚴(yán)重，取決于孔隙度或滲透性，其中關(guān)鍵因素：材料的

6、孔隙體積和孔隙尺寸分布。2氣體侵蝕產(chǎn)物 氣體侵蝕反應(yīng)產(chǎn)物可能為固體、液體或氣體：A（s） B（g） C（s、l、g）例如，受Na2O蒸氣侵蝕的SiO2能生成液態(tài)的硅酸鈉。3氣體與液體聯(lián)合侵蝕效應(yīng)氣體和液體侵蝕可產(chǎn)生聯(lián)合而持續(xù)的效應(yīng)：（1）氣體在熱梯度作用下，會(huì)滲透入材料并凝結(jié)成液體溶液來溶解材料；（2）液體溶液能進(jìn)一步沿著溫度梯度滲透，直到完全凝結(jié)；（3）若材料熱梯度改變，固體反應(yīng)產(chǎn)物有可能熔化，在熔點(diǎn)附近引起腐蝕和剝落。氣固反應(yīng)過程控制速率的可能步驟：（1）氣體向固體擴(kuò)散；（2）氣體分子吸附于固體表面；（3）被吸附氣體的表面擴(kuò)散；（4）在表面特定部位的反應(yīng)物分解；（5）表面反應(yīng)；（6）反應(yīng)產(chǎn)

7、物從反應(yīng)部位脫落；（7）反應(yīng)產(chǎn)物的表面擴(kuò)散；（8）氣體分子從固體中擴(kuò)散出來。以上步驟中的任何一個(gè)都可能控制氣體腐蝕速率。 4非氧化物陶瓷的氧化非氧化物陶瓷：如碳化硅、氮化物等（1）非氧化物的穩(wěn)定性氧化物與氮化物之間的穩(wěn)定性可由如下方程表示： 2MxNyO22MxOyN2 （11-3）隨氧化物與氮化物之間的形成自由能差負(fù)值更大，反應(yīng)朝右進(jìn)行的趨勢(shì)越大。若用氧分壓來表示反應(yīng)自由能的變化，可根據(jù)下式計(jì)算出能使氧化物或氮化物在任何要求的溫度下保持穩(wěn)定的分壓比。 （11-4）例如，氮化硅1800K被氧化為二氧化硅的過程導(dǎo)致大約107的氮與氧分壓比，因此需要很高的氮分壓來保持氮化物的穩(wěn)定。只要生成物氣體穿

8、過反應(yīng)層的滲透率比反應(yīng)物氣體的小，那么由于在反應(yīng)界面層的氣泡或裂縫的作用，會(huì)在界面處產(chǎn)生很高的生成物氣壓，導(dǎo)致隨后的連續(xù)反應(yīng)。（2）在不同氧分壓下氧化物的還原例如：對(duì)于莫來石的還原，通過減少，存在著一個(gè)形成該化合物的更穩(wěn)定氧化物，它可增加次穩(wěn)定氧化物的穩(wěn)定性，但不足以增加更穩(wěn)定氧化物的穩(wěn)定性。因此莫來石的形成自由能介于氧化硅和氧化鋁的形成自由能之間，但更接近于氧化硅的形成自由能。 此外，更穩(wěn)定更低價(jià)的氧化物形成以及反應(yīng)產(chǎn)物的蒸發(fā)，如在高溫下氧化硅被氫還原為在高于300時(shí)極易揮發(fā)的氧化物，可加速氧化物的還原。 氧化成更高階的揮發(fā)性的氧化物會(huì)造成質(zhì)量損失，如Cr2O3的偽蒸發(fā)： Cr2O3十O22

9、CrO3（g） （11-5）（3）水蒸氣腐蝕指濕度存在時(shí)引起腐蝕速率增加，與形成氣態(tài)氫氧化物組分的容易程度有關(guān)。（4）氣體反應(yīng)物的到達(dá)速率和脫離速率Hertz-Langmuir方程： （11-6）式中 Z 在單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)單位面積上的氣體物質(zhì)的量；P 反應(yīng)氣體的分壓；M 氣體相對(duì)分子質(zhì)量；R 氣體常數(shù)；T 絕對(duì)溫度。利用氣體產(chǎn)物的分壓P和氣體的相對(duì)分子質(zhì)量M，也可用同樣的方程計(jì)算氣體產(chǎn)物的脫離速率。二、腐蝕對(duì)無(wú)機(jī)材料性能的影響（一）機(jī)械強(qiáng)度1應(yīng)力腐蝕斷裂無(wú)機(jī)非金屬材料置于腐蝕環(huán)境中并受到外部機(jī)械負(fù)荷影響時(shí)導(dǎo)致材料失效。撤除外加應(yīng)力或腐蝕環(huán)境將阻止斷裂。造成應(yīng)力腐蝕斷裂的因素：（1）由于表面和基

10、體之間熱膨脹的過度不匹配，而造成表面改性層開裂；（2）二次相在高溫下熔融；（3）高溫下玻璃晶界相的粘度降低；（4）在表面晶體相中的多晶形轉(zhuǎn)變引起的表面開裂；（5）形成低強(qiáng)度相的變異；（6）空洞和蝕坑的形成，對(duì)于氧化腐蝕尤其明顯；（7）裂紋生長(zhǎng)。2疲勞1）關(guān)于疲勞（或延遲失效）的幾個(gè)基本概念靜態(tài)疲勞：受低于臨界應(yīng)力的恒定負(fù)荷長(zhǎng)期作用后材料的失效。動(dòng)態(tài)疲勞：在以不變的應(yīng)力速率施加的負(fù)荷長(zhǎng)期作用后材料的失效。循環(huán)疲勞：所受負(fù)荷被加載、卸載，然后又被加載，長(zhǎng)時(shí)間如此循環(huán)后所造成的材料失效。對(duì)于脆性材料，斷裂之前常發(fā)生亞臨界裂紋的生長(zhǎng)。疲勞優(yōu)先發(fā)生在裂縫尖端的應(yīng)變材料分子鍵的化學(xué)反應(yīng)，與材料成分、溫度和

11、環(huán)境（例如pH值）有關(guān)。 2）裂縫速度方程 （11-7）式中 A 材料常數(shù)（強(qiáng)烈依賴于環(huán)境、溫度等）；n 應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)（較少依賴于環(huán)境），決定材料對(duì)亞臨界裂縫生長(zhǎng)的敏感性，最終決定材料的使用壽命；KI 外加應(yīng)力強(qiáng)度；KIC 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。3腐蝕對(duì)陶瓷力學(xué)性能影響的評(píng)估方法（1）在不透明試樣上根據(jù)強(qiáng)度測(cè)量來推測(cè)裂縫生長(zhǎng)速度。把失效時(shí)間作為外加負(fù)荷的函數(shù)，采用恒負(fù)荷技術(shù)、恒應(yīng)變技術(shù)測(cè)定。（2）在室溫進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)量暴露于腐蝕性環(huán)境中，斷裂強(qiáng)度損失百分比；（3）暴露于腐蝕性環(huán)境期間，在某一高溫下斷裂強(qiáng)度的測(cè)量；（4）暴露于腐蝕性環(huán)境期間，蠕變抗力的評(píng)估；（5）暴露于腐蝕性環(huán)境和靜態(tài)負(fù)荷之

12、后，強(qiáng)度分布的確定。（二）材料性能降低機(jī)理1晶體材料晶體材料高溫應(yīng)力腐蝕的兩種方式：（1）直接向裂縫尖端提供非晶相；（2）通過改性在裂縫尖端形成非晶相。Cao等人觀點(diǎn)：晶體材料高溫應(yīng)力腐蝕機(jī)理是因?yàn)閺牧芽p表面到腐蝕性非晶相的擴(kuò)散，這個(gè)被應(yīng)力增強(qiáng)的擴(kuò)散加速了裂縫沿晶界的擴(kuò)散。最有可能發(fā)生在含有不連續(xù)非晶相的晶體材料中。在晶界具有較小兩面角和含有低粘度的非晶相的系統(tǒng)對(duì)快速裂縫擴(kuò)展的系統(tǒng)最敏感，主要是由于固體被非晶相潤(rùn)濕，形成誘發(fā)尖銳裂縫尖端的小二面角?；谌缦录僭O(shè)：（1）在裂縫尖端之后是平的裂縫表面；（2）主擴(kuò)散流流向裂縫尖端；（3）液體中的固體處于平衡濃度；（4）裂縫表面曲率引起裂縫尖端液體中的

13、固體量減少；（5）足夠慢的裂縫尖端速度使粘滯的液體能夠流入尖端；（6）忽略垂直于裂縫平面的化學(xué)位梯度。Cao等人指出，這一機(jī)理2玻璃體材料性能降低機(jī)理玻璃的靜態(tài)疲勞：由于水蒸氣和玻璃表面之間的反應(yīng)，并在玻璃受到靜態(tài)負(fù)荷時(shí)，最終導(dǎo)致失效。（1）水蒸氣和玻璃表面之間的反應(yīng)取決于應(yīng)力、濕度和玻璃成分。應(yīng)力越大，裂縫速度越快；濕度越高，裂縫擴(kuò)展越快，而且能在更低外力下擴(kuò)展；玻璃成分抗應(yīng)力腐蝕的順序?yàn)椋喝廴谘趸桎X硅酸鹽硼硅酸鹽堿石灰硅酸鹽硅酸鉛。（2）玻璃中的裂縫生長(zhǎng)取決于裂縫尖端環(huán)境的pH值，并且受玻璃成分所控制。在高裂縫速度下，玻璃成分（氧化硅、硼硅酸鹽、堿石灰硅酸鹽）控制裂縫尖端的pH值；在低裂

14、縫速度下，電解質(zhì)控制裂縫尖端的pH值。裂縫尖端的pH值取決于裂縫尖端溶液與玻璃成分之間的反應(yīng)以及主體溶液與裂縫尖端溶液之間的擴(kuò)散。裂縫尖端溶液中的質(zhì)子與玻璃中的堿之間的離子交換產(chǎn)生OH離子，因而在裂縫尖端導(dǎo)致堿性的pH值；而玻璃表面的硅酸的電離在裂縫尖端導(dǎo)致酸性的pH值。裂縫尖端的pH值范圍從氧化硅玻璃的大約4.5到堿石灰玻璃的大約12。在高裂縫速度下，裂縫尖端的反應(yīng)加快，玻璃成分控制溶液的pH值；在低裂縫速度下，擴(kuò)散消耗了裂縫尖端溶液，使之類似于主體溶液。因此在中性和堿性的溶液里，氧化硅玻璃最耐靜態(tài)疲勞；而在酸性溶液里，硼硅酸鹽玻璃最佳。3氧化造成的性能降低氧化導(dǎo)致表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，若壓應(yīng)力處

15、于最佳狀態(tài)，會(huì)增加表面強(qiáng)度；若壓應(yīng)力變得過大，則會(huì)發(fā)生造成強(qiáng)度下降的剝落。（1）SiC在高溫下的強(qiáng)度低于室溫強(qiáng)度，隨在空氣環(huán)境中暴露時(shí)間的增加，SiC室溫抗彎強(qiáng)度提高。這是由于冷卻時(shí)在表面形成了具有壓應(yīng)力的表面層，使亞臨界裂紋的生長(zhǎng)；（2）高于室溫下，隨Si3N4暴露時(shí)間延長(zhǎng)，其強(qiáng)度略顯增加，這是由于高溫下表面氧化層逐漸完整，使裂紋尖端的鈍化。4濕度造成的性能降低暴露于1300和1400的H2/H2O氣氛后，SiC晶須增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度受到PH2O的顯著影響。SiC的活性氧化發(fā)生在PH2O5104MPa和1400的條件下暴露l0h后，強(qiáng)度增加，這是因?yàn)樵嚇颖砻娌Ａ嗟男纬蓪?dǎo)致裂紋

16、愈合。11.2 無(wú)機(jī)材料的疲勞無(wú)機(jī)非金屬材料在使用中的破壞，除腐蝕外，很大一部分都是由于疲勞造成的，因此對(duì)無(wú)機(jī)材料疲勞的研究，尤其是在交變負(fù)荷場(chǎng)合下的結(jié)構(gòu)材料疲勞的研究，提高材料的使用壽命，具有重要的意義。一、疲勞的基本概念工程構(gòu)件在服役過程中，由于承受變動(dòng)載荷或反復(fù)承受應(yīng)力和應(yīng)變，即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展，以至構(gòu)件材料斷裂而失效，或使其力學(xué)性質(zhì)變壞的現(xiàn)象或全過程。（一）疲勞破壞基本特征（1）是一種“潛藏”的失效方式，在靜載下無(wú)論顯示脆性與否，在疲勞斷裂時(shí)都不會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，其斷裂卻常常是突發(fā)性的，沒有預(yù)兆，所以，對(duì)承受疲勞負(fù)荷的構(gòu)件，通常有必要事先進(jìn)行安全評(píng)價(jià)

17、；（2）由于構(gòu)件上不可避免地存在缺陷（特別是表面缺陷，如缺口、溝槽等），因而可能在名義應(yīng)力不高的情況下，由局部應(yīng)力集中而形成裂紋，隨著加載循環(huán)的增長(zhǎng)，裂紋不斷擴(kuò)展，直至剩余截面不再能承擔(dān)負(fù)荷而突然斷裂，所以實(shí)際構(gòu)件的疲勞破壞過程總可以明顯地分出裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)組成部分。（3）疲勞源（或疲勞核）材料的疲勞破壞，往往是由局部的應(yīng)力集中引起的裂紋萌生而造成的，該裂紋萌生處一般稱為疲勞源，或疲勞核。（4）應(yīng)力的循環(huán)特征參數(shù)：1）應(yīng)力幅a和應(yīng)力范圍，有，其中，max和mix循環(huán)最大應(yīng)力和循環(huán)最小應(yīng)力；2）平均應(yīng)力m或應(yīng)力比R，有，。（二）疲勞壽命曲線疲勞壽命：在特定的振動(dòng)條件下，使材料破

18、壞所必需的周期數(shù)。疲勞壽命曲線：疲勞失效的標(biāo)準(zhǔn)宏觀格式，又叫WOhler曲線，習(xí)慣上又稱SN曲線，是給定應(yīng)力S與該應(yīng)力引起材料失效的周期次數(shù)N的關(guān)系曲線。在不同的應(yīng)力下試驗(yàn)一組試件，得到一組點(diǎn)，即可描繪出SN曲線，如圖11-1所示。該圖表明應(yīng)力S高，到失效的周期次數(shù)N??；應(yīng)力S低，則失效的周期次數(shù)N大。當(dāng)失效的周期次數(shù)N無(wú)限大時(shí)，應(yīng)力S較低，S的上限值稱為疲勞極限。實(shí)際上不可能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)限制地試驗(yàn)下去，一般達(dá)到規(guī)定的失效周期數(shù)而不發(fā)生疲勞失效時(shí)，應(yīng)力的上限值就定為疲勞極限。 圖11-1 疲勞壽命曲線 圖11-2 典型的疲勞壽命曲線分區(qū)圖疲勞壽命曲線可以分為3個(gè)區(qū)，如圖11-2所示。（1）低循

19、環(huán)疲勞區(qū)，在很高的應(yīng)力下和很少的循環(huán)次數(shù)后，試件即發(fā)生斷裂，并有較明顯的塑性變形。一般認(rèn)為低循環(huán)疲勞發(fā)生在循環(huán)應(yīng)力超出彈性極限，疲勞壽命Nf1/（4104或105）之間。因此低循環(huán)疲勞又稱為短壽命疲勞。（2）高循環(huán)疲勞區(qū)，在高循環(huán)疲勞區(qū)，循環(huán)應(yīng)力低于彈性極限，疲勞壽命長(zhǎng)，Nf 105次循環(huán)，且隨循環(huán)應(yīng)力降低而大大地延長(zhǎng)。試件在最終斷裂前，整體上無(wú)可測(cè)的塑性變形，因而在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。在此區(qū)內(nèi)，試件的疲勞壽命長(zhǎng)，故可將高循環(huán)疲勞稱為長(zhǎng)壽命疲勞。不論在低循環(huán)疲勞區(qū)或高循環(huán)疲勞區(qū)，試件的疲勞壽命總是有限的，故可將上述兩個(gè)合稱為有限壽命區(qū)。（3）無(wú)限壽命區(qū)或安全區(qū)，試件在低于某一臨界應(yīng)力幅ac下

20、，可以經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂，疲勞壽命趨于無(wú)限；即aac，Nf。故可將ac稱為材料的理論疲勞極限或耐久限。在大多數(shù)情況下，SN曲線存在一條水平漸進(jìn)線，其高度即為ac，又稱為疲勞極限。 疲勞壽命曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，反映材料疲勞的宏觀規(guī)律。在高循環(huán)疲勞區(qū)，當(dāng)R1時(shí)，疲勞壽命與應(yīng)力幅間的關(guān)系可表示為： NfA（aac）2 （11-8）式中 Nf 疲勞壽命；A 與材料拉伸性能有關(guān)的常數(shù)；ac 臨界應(yīng)力幅；a 應(yīng)力幅?？梢姡牧系钠趬勖c其拉伸性能相關(guān)，并且受應(yīng)力和應(yīng)力幅大小的影響。在非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用下，在給定應(yīng)力幅下，平均應(yīng)力升高，疲勞壽命縮短；對(duì)于給定的疲勞壽命，平均應(yīng)力升高，材料所能承受

21、的應(yīng)力幅降低。 （三）疲勞極限與疲勞強(qiáng)度 材料的疲勞強(qiáng)度通常用疲勞極限表示，因此在某種程度上疲勞極限即疲勞強(qiáng)度。疲勞極限：在指定的疲勞壽命下，試件所能承受的上限應(yīng)力幅值。疲勞極限測(cè)定方法：?jiǎn)吸c(diǎn)試驗(yàn)法。假定在應(yīng)力a,i下，試樣的疲勞壽命Nf小于材料的疲勞壽命額定值；而在應(yīng)力a,i1下,若試樣的疲勞壽命Nf大于材料的疲勞壽命額定值（這種情況稱越出）；若（a,ia,i1）5a,i ,則試件的疲勞極限： （11-9）非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，隨平均應(yīng)力升高，用應(yīng)力幅表示的疲勞極限值下降。材料的疲勞強(qiáng)度值遠(yuǎn)低于材料的靜態(tài)強(qiáng)度，如金屬的疲勞極限一般為其靜態(tài)拉伸強(qiáng)度的4050；高分子材料（塑料）的疲勞極限僅為其拉伸強(qiáng)

22、度的2030；但是纖維增強(qiáng)的無(wú)機(jī)復(fù)合材料卻有較高的疲勞強(qiáng)度，碳纖維增強(qiáng)聚酯樹脂的疲勞極限相當(dāng)于其拉伸強(qiáng)度的7080。（四）改善疲勞強(qiáng)度的方法1表面處理疲勞裂紋影響材料的疲勞強(qiáng)度，多數(shù)疲勞裂紋都是在材料的表面產(chǎn)生，任何表面組織結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)影響到疲勞裂紋的抗力，從而影響疲勞強(qiáng)度。因此，改善疲勞強(qiáng)度的方法主要從表面進(jìn)行。表面處理方法大致有三類：機(jī)械處理，如噴丸、冷滾壓、研磨和拋光；熱處理，如火焰和感應(yīng)加熱淬火；滲、鍍處理，如氮化和電鍍等。2改善疲勞裂紋擴(kuò)展的抗力改善疲勞裂紋擴(kuò)展的抗力，要按中等速率區(qū)和近門檻速率區(qū)分別對(duì)待。中等速率區(qū)（105103mm/周次），只要材料基體相同，組織對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的

23、影響不大；但在近門檻區(qū)，減少夾雜物的體積和數(shù)量，對(duì)阻止裂紋擴(kuò)展有一定效果。減小晶粒尺寸，對(duì)降低平直滑移型材料的擴(kuò)展速率是有效的。二、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征 疲勞斷裂：指材料在交變荷載作用下發(fā)生的滯后斷裂。1金屬的疲勞斷裂實(shí)例：鐵絲反復(fù)彎曲而折斷。機(jī)理：在循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生的循環(huán)塑性形變。如圖11-3，說明在循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞裂紋的形成與塑性形變之間的關(guān)系。在循環(huán)的升載階段，在擇優(yōu)取向的滑移面上將產(chǎn)生滑移；在降載階段，由于第一個(gè)滑移面上的滑移被應(yīng)變硬化以及新形成的自由表面的氧化所阻礙，因此在平行的滑移面上將產(chǎn)生方向相反的滑移。第一個(gè)循環(huán)的滑移會(huì)在金屬表面產(chǎn)生一個(gè)“擠出”或“擠入”。在后續(xù)的

24、循環(huán)中，這種擠入就會(huì)發(fā)育為一條疲勞裂紋。圖11-3 Wood的疲勞裂紋形成模型圖2陶瓷的疲勞斷裂一些陶瓷材料，如ZrO2基陶瓷以及一系列新型的陶瓷基復(fù)合材料，對(duì)循環(huán)荷載作用較為敏感。與受到靜態(tài)荷載作用情況相比，在循環(huán)荷載作用下，這些材料的斷裂壽命明顯偏低，如圖11-4所示。 圖11-4 Mg-PSZ陶瓷循環(huán)疲勞行為 圖11-5 循環(huán)疲勞裂紋擴(kuò)展曲線與靜態(tài)疲勞行為的對(duì)比3疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率：裂紋擴(kuò)展量Da隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即疲勞周次）N的變化率da/dN，與裂紋尖端處應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的變化幅度DKI之間的關(guān)系如圖11-5所示。其中，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度幅度DKI定義為 DKIKImaxKImin （

25、11-10）式中 DKI 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度幅度；KImax 在應(yīng)力作用過程的某一循環(huán)中裂紋尖端處應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度KI的最大值；KImi n 在應(yīng)力作用過程的某一循環(huán)中裂紋尖端處應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度KI的最小值。當(dāng)裂紋尖端處的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度幅度DKI高于裂紋擴(kuò)展門檻值DKth時(shí)（da/dN） DKI之間滿足Paris經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： （11-11）式中，C和m是與試驗(yàn)條件有關(guān)的材料常數(shù)。試驗(yàn)條件：試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)溫度以及循環(huán)荷載的波形、循環(huán)荷載的頻率、應(yīng)力比R等。循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)中常用的荷載波形主要有正弦波、矩形波、梯形波等，而應(yīng)力比R則定義為荷載波形曲線上的最小值與最大值之比，即： （11-12）4疲勞斷裂行為研究方法（1）疲勞

26、裂紋擴(kuò)展曲線的測(cè)定在具有一定構(gòu)型的試樣中引進(jìn)一條人工裂紋，而后在指定條件下對(duì)試樣施加某一波形的交變荷載作用，作出裂紋尺寸a隨疲勞周次N的變化關(guān)系曲線，即a N曲線，而da/dN即為aN曲線的斜率。在陶瓷材料循環(huán)疲勞斷裂研究中常用的試樣構(gòu)型包括：三點(diǎn)（或四點(diǎn)）彎曲切口梁、單懸臂梁、雙懸臂梁以及緊湊拉伸試樣等。壓痕彎曲梁有時(shí)也得到一些應(yīng)用。（2）應(yīng)力/壽命試驗(yàn)對(duì)試樣施加一個(gè)周期性變化的荷載作用，測(cè)定其疲勞斷裂壽命。習(xí)慣上人們通常將疲勞斷裂壽命定義為材料所能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，即臨界疲勞周次Nf。因此，應(yīng)力/壽命試驗(yàn)在文獻(xiàn)中通常就簡(jiǎn)記為S/N試驗(yàn)。三、無(wú)機(jī)材料的高溫蠕變高溫蠕變：高溫時(shí)材料在恒載荷的

27、持續(xù)作用下，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性變形。陶瓷材料的高溫蠕變斷裂分為兩個(gè)階段：蠕變損傷的發(fā)育過程和蠕變裂紋的緩慢擴(kuò)展過程。（一）蠕變損傷的發(fā)育過程 無(wú)論材料中是否含有晶界玻璃相，在受力蠕變的過程中，總會(huì)在晶界處產(chǎn)生大量的空腔，而蠕變損傷的發(fā)育過程則通常表現(xiàn)為晶界空腔的成核、生長(zhǎng)及連通等三個(gè)特征階段。 1空腔成核速率Nc （11-13）式中 s 材料的熱力學(xué)自由表面能；ns 有效成核位置的數(shù)量；Z Zel-dorich因子；y 空腔晶界界面處的二面角；sn 作用于成核位置處的正應(yīng)力；W 原子體積；Db為晶界擴(kuò)散系數(shù)；db 晶界厚度；Fv 為空腔形狀參數(shù)；T 溫度；k 玻爾茲曼常數(shù)。 在恒定外力作用下

28、材料發(fā)生蠕變的過程中，空腔的成核速率一般隨蠕變時(shí)間t的延長(zhǎng)而變化，二者間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為 （11-14）式中 Nc 空腔的成核速率；a 常數(shù)；t 蠕變時(shí)間；p 常數(shù)。陶瓷材料的p值范圍為 0.80.0。（1）p0：穩(wěn)態(tài)成核過程，較為少見，常見的是隨蠕變的延續(xù)，空腔成核速率持續(xù)降低。（2）通常p為0.8l0.68。因?yàn)楸仨殱M足一定的應(yīng)力條件，陶瓷材料內(nèi)部的空腔成核位置是有限的；而隨著空腔成核數(shù)量的增多，這些有限的成核位置的數(shù)量也就逐漸減少了。2空腔生長(zhǎng)速率空腔半徑R隨時(shí)間的變化率，有： （11-15）式中 空腔生長(zhǎng)速率；R 空腔半徑；l 空腔間距；f 空腔半徑R和空腔間距l(xiāng)的函數(shù)；對(duì)于含有晶界玻璃相

29、的材料，空腔的生長(zhǎng)則通常被認(rèn)為是通過玻璃相的粘滯流動(dòng)進(jìn)行的，其生長(zhǎng)速率為： （11-16）其中 （11-17a）式中 晶界厚度db隨時(shí)間的變化率； 空腔半徑與空腔間距之比（R/l）； 玻璃相的粘度； 為空腔形狀因子； 與材料性能和空腔半徑有關(guān)的參數(shù)； 在拉伸蠕變過程中，作用在空腔/晶界界面處的空腔生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力跟外加應(yīng)力和局部約束應(yīng)力之差有關(guān)，而在壓縮蠕變過程中，驅(qū)動(dòng)空腔生長(zhǎng)的局部應(yīng)力則由與空腔相鄰的晶界產(chǎn)生相對(duì)滑移而引起。在穩(wěn)態(tài)壓縮蠕變條件下，平均空腔生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力sn與材料整體的蠕變速率有關(guān)：（11-18）在空腔的生長(zhǎng)過程中，由于玻璃相的粘滯流動(dòng)或原子向晶界處的擴(kuò)散作用，另一個(gè)逆向的過程空腔的填充

30、也將同時(shí)發(fā)生。這一逆向過程的驅(qū)動(dòng)力是溫度對(duì)粘滯流動(dòng)或晶界擴(kuò)散的激活作用。由于這種空腔的填充與陶瓷材料典型的燒結(jié)過程較為相似，因此有人將空腔填充過程的驅(qū)動(dòng)力稱為“燒結(jié)應(yīng)力”。當(dāng)填充過程的速率大于生長(zhǎng)過程的速率時(shí)，空腔在成核之后有可能慢慢地消失；而反之，空腔的生長(zhǎng)將持續(xù)進(jìn)行，逐漸與鄰近空腔連通，最終在整個(gè)晶界上形成一條裂紋。這種由空腔發(fā)育而成的裂紋稱為蠕變裂紋。 （二）蠕變裂紋緩慢擴(kuò)展機(jī)理 1蠕變裂紋直接擴(kuò)展機(jī)理認(rèn)為蠕變裂紋形成之后便在外力作用下，以晶界擴(kuò)散或粘滯流動(dòng)的形式沿晶界向前擴(kuò)展。有三個(gè)較有代表性的模型，分別如圖11-611-8所示。圖11-6 Chuang蠕變裂紋擴(kuò)展模型 圖11-7 C

31、ao等人蠕變裂紋擴(kuò)展模型 圖11-8 Thouless-Evans的蠕變裂紋擴(kuò)展模型（1）Chuang蠕變裂紋擴(kuò)展模型認(rèn)為晶界處的蠕變裂紋將借助于裂紋表面間及晶界間的擴(kuò)散過程而向前擴(kuò)展。在彈性應(yīng)力場(chǎng)作用下，裂紋表面處的原子向裂紋尖端擴(kuò)散，而在裂紋尖端處，原子又將通過晶界擴(kuò)散而淤積到與裂紋尖端相鄰的晶粒處，從而使得裂紋尖端以一定的速率v逐漸向前推進(jìn)。裂紋擴(kuò)展過程中的vKI關(guān)系為： （11-19）式中 KI 裂紋尖端處的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度；Kmin 蠕變裂紋擴(kuò)展的門檻值；v 裂紋擴(kuò)展速度；vmin 蠕變裂紋擴(kuò)展的最低速率。而 （11-19a） （11-19b）式中 Ds 表面的擴(kuò)散系數(shù)；Db 晶界的擴(kuò)散系

32、數(shù)；gs 自由表面能；gb 晶界表面能；E 材料彈性模量；裂紋擴(kuò)展指數(shù)N不是一個(gè)定值，而是一個(gè)與/min值有關(guān)的變量。當(dāng)/min由l逐漸增大至無(wú)窮大時(shí)，N值相應(yīng)將由1逐漸增大至12。（2）Cao等人蠕變裂紋擴(kuò)展模型考慮含有晶界玻璃相的陶瓷材料，認(rèn)為裂紋尖端尾部的過程區(qū)中被假定充滿了呈流體狀態(tài)的玻璃相。由于具有相對(duì)較低的粘度，流體態(tài)玻璃相的存在將有效地提高原子遷移的速率，從而提高裂紋擴(kuò)展速率，其vKI關(guān)系為： （11-20）而 （11-20a） （11-20b）式中 DI 原子在液相中的擴(kuò)散系數(shù)；c0 原子在液相中的平衡濃度；g 液固界面能；（3）Thouless-Evans的蠕變裂紋擴(kuò)展模型同

33、樣考慮玻璃相存在，認(rèn)為裂紋尖端處有一個(gè)月牙形的非晶相，其初始厚度為do；這個(gè)月牙形非晶相沿晶界的生長(zhǎng)導(dǎo)致了裂紋的擴(kuò)展，最后附著在新生成的裂紋表面上，厚度為dc，其裂紋擴(kuò)展的v KI關(guān)系為： （11-21）式中 d 晶粒尺寸；圖11-9為L(zhǎng)ewis等人對(duì)三種Sialon陶瓷進(jìn)行蠕變裂紋擴(kuò)展測(cè)試所得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)理論模型進(jìn)行的對(duì)比。表明，Chuang模型與其中兩種Sialon的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好。由于這兩種Sialon只在三交晶界處才含有零星的玻璃相，而且這些零星玻璃相的尺寸也小于空腔成核所需的臨界尺寸，因此認(rèn)為此處發(fā)生的蠕變裂紋緩慢擴(kuò)展是由晶界或表面的擴(kuò)散過程導(dǎo)致。圖11-9 三種熱壓Sial

34、on陶瓷蠕變裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)與理論模型的比較2損傷累積機(jī)理認(rèn)為蠕變裂紋的擴(kuò)展是由裂紋尖端前緣局部區(qū)域內(nèi)蠕變空腔的成核、生長(zhǎng)及連通過程導(dǎo)致。如圖11-9中，不能借助于上述三個(gè)基本擴(kuò)散模型中任何一個(gè)解釋第三種Sialon陶瓷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于第三種Sialon陶瓷在三交晶界處的玻璃相尺寸已經(jīng)超過了空腔成核所必需的臨界尺寸，因此認(rèn)為這種材料中蠕變裂紋的擴(kuò)展是由主裂紋尖端前緣的局部區(qū)域內(nèi)蠕變損傷累積過程主導(dǎo)。幾乎所有的關(guān)于蠕變裂紋緩慢擴(kuò)展的損傷累積模型都有一個(gè)共同之處，即認(rèn)為：裂紋在發(fā)生每一次微小擴(kuò)展之前都將經(jīng)歷一個(gè)等待階段，其時(shí)間為tw；在這一階段中，裂紋尖端前部將形成一個(gè)損傷區(qū)。圖11-10是這個(gè)等待階

35、段中損傷區(qū)發(fā)育過程示意圖。裂紋擴(kuò)展過程中損傷的發(fā)育包括空腔在裂紋尖端前部晶界處的成核、生長(zhǎng)及連通。連通后的空腔可能與主裂紋匯合，也可能形成一條晶界微裂紋。在這兩種情況下，裂紋發(fā)生增量為Da的擴(kuò)展都是間歇性的，即只有當(dāng)裂紋尖端與連通的空腔或由空腔形成的晶界微裂紋匯合后才能發(fā)生擴(kuò)展。 圖11-10 損傷累積機(jī)理作用下蠕變裂紋的擴(kuò)展過程裂紋尖端前部損傷區(qū)的形成與材料在蠕變過程中的空腔化過程完全一樣，損傷區(qū)形成可通過擴(kuò)散過程進(jìn)行，也可借助于粘滯流動(dòng)過程進(jìn)行，取決于材料中是否含有足夠多的晶界玻璃相。代表性模型：Tsai-Raj的蠕變裂紋擴(kuò)展模型，如圖11-11所示，1982年提出。圖11-11 Tsai

36、-Raj的蠕變裂紋擴(kuò)展模型空腔在三交晶界處成核，而后沿著含有玻璃相的晶界生長(zhǎng)并形成一條晶間裂紋；這種位于主裂紋尖端前部區(qū)域內(nèi)并與主裂紋共面的晶間裂紋的生長(zhǎng)將使得主裂紋尖端持續(xù)向前推進(jìn)，而晶間裂紋的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力則是主裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)以及晶界滑移引起的剪應(yīng)力，其蠕變裂紋擴(kuò)展vKI關(guān)系為 （11-22）式中 b1 數(shù)值常數(shù)；上式中的右邊第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于只發(fā)生小范圍蠕變及損傷的情況下由KI控制的裂紋擴(kuò)展過程，而后兩項(xiàng)則對(duì)應(yīng)于大范圍損傷條件下的情況，此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率將由KI和外加應(yīng)力sa共同決定。v0為參考速率，與晶界初始厚度d0、玻璃相粘度h以及材料的彈性模量E、晶粒尺寸d有關(guān) （11-22a）不足之處

37、：關(guān)于空腔在三交晶界處成核并生長(zhǎng)的假定過于簡(jiǎn)單。許多陶瓷材料空腔的成核往往發(fā)生在兩晶粒的界面處，這些空腔一般都具有近乎相同的尺寸和間距。在成核之后，空腔有可能進(jìn)一步生長(zhǎng)，也可能不生長(zhǎng)。在前一種情況下，空腔的連通發(fā)生在生長(zhǎng)之后，而對(duì)于后一種情況，連續(xù)的空腔成核將使得空腔發(fā)生連通。11.3 無(wú)機(jī)材料的再生與利用一、無(wú)機(jī)材料的可持續(xù)發(fā)展原則（1）開發(fā)節(jié)約資源、低污染的生產(chǎn)流程。（2）發(fā)展環(huán)境友好材料。（3）開發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命材料是節(jié)約資源、減少污染最有效的途徑。（4）用新技術(shù)改造無(wú)機(jī)材料生產(chǎn)流程。二、無(wú)機(jī)材料生命周期評(píng)估和生態(tài)設(shè)計(jì)（一）陶瓷材料的生命周期評(píng)估 生命周期評(píng)估（Life Cycle As

38、sessment， LCA）。如表11-1所示。表11-1 陶瓷類和一般材料制造階段能耗及CO2排放量材料種類能耗（103kJ/kg）CO2排放量（kg/kg）陶瓷氮化硅3885.4214碳化硅4132.3213堇青石167.58.8二氧化硅1046.749一般材料冷軋鋼板7.50.47電解銅13.80.94塑料62.84.1鋁錠184.29.3客觀反映LCA，應(yīng)當(dāng)在材料組裝后，進(jìn)行產(chǎn)品的功能單位計(jì)算。材料制造的LCA計(jì)算是提供其計(jì)算的基礎(chǔ)。（二）陶瓷生態(tài)設(shè)計(jì)1陶瓷生態(tài)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)（2）設(shè)計(jì)重點(diǎn)使用階段降低環(huán)境負(fù)載。（3）陶瓷生態(tài)功能的改善通過材料微觀變化來

39、體現(xiàn)。1）調(diào)節(jié)材料的組成，使不同相在微觀級(jí)復(fù)合，形成不同性質(zhì)的晶界面等；2）改變工藝條件，包括原料物化性能和狀態(tài)、加工成型、燒結(jié)狀態(tài)和成品加工條件等。（4）設(shè)計(jì)方法以高溫長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)陶瓷為例：1）了解陶瓷高溫氧化破壞和高溫應(yīng)力破壞的顯微結(jié)構(gòu)2）提高陶瓷斷裂韌性 通過相變?cè)鲰g； 自生復(fù)合陶瓷； 納米復(fù)合陶瓷； 強(qiáng)化復(fù)合陶瓷三、環(huán)境協(xié)調(diào)無(wú)機(jī)材料（一）陶瓷生產(chǎn)生態(tài)化 1陶瓷燒成階段的節(jié)能表11-2為燒成陶瓷不同連續(xù)式窯爐的對(duì)比，從中可以得到輥道窯是熱效率最高的一種窯形，目前輥道窯總體向高溫、寬截面、大型化方向發(fā)展。表11-2 燒成陶瓷不同連續(xù)式窯形的對(duì)比窯 型燃料燒成方式燒成時(shí)間（h）生產(chǎn)能力（件/車

40、）單位熱耗（MJ/kg）舊式隧道窯煤明焰裝燒7210111.37隔焰隧道窯重油隔焰裸燒212519.81新型寬體隧道窯煤氣明焰裸燒12606.28輥道窯天然氣明焰裸燒8364.192低環(huán)境負(fù)載的陶瓷工藝和技術(shù)（1）軟溶液工藝由日本學(xué)者吉村昌弘提出，指采用環(huán)境負(fù)載最少的水溶液類工藝制取陶瓷和復(fù)合材料等高功能材料。如圖11-12所示為各種材料合成中的壓力溫度圖解，表明水溶液法具有環(huán)境負(fù)載低的優(yōu)點(diǎn)。由表11-3軟水溶液工藝的特點(diǎn)和作用，說明比起固相、氣相或真空系統(tǒng)有更多的優(yōu)點(diǎn)。圖11-12 材料合成中的P-T圖解表11-3 軟水溶液工藝的特點(diǎn)和作用工 藝 特 點(diǎn) 作 用條件溫和（溫度、壓力）有利于降

41、低環(huán)境負(fù)載低能耗（不需要真空或等離子體化）低成本（不需要特殊藥品、特殊設(shè)備）密閉系統(tǒng)（能加料、輸送、反應(yīng)、分離、循外）非平衡狀態(tài)，也生成準(zhǔn)穩(wěn)定相有利于產(chǎn)生新材料、新功能不受形狀、大小限制溶液態(tài)具有均勻性、選擇性、加速性多樣性（溶媒、溶質(zhì)、添加劑、基材可以是有機(jī)、無(wú)機(jī)、金屬）體系的需要有利于產(chǎn)生新材料、新功能激發(fā)可能性（熱、光、電、超聲波、機(jī)械、絡(luò)合物、生物）從原子（離子）水平到粒子避免真空、電子束等系統(tǒng)復(fù)雜性從溶液直接制造陶瓷的方法：基材A成分和溶液B成分在具有氧的界面反應(yīng)生成ABO2復(fù)合氧化物。溶液和基材的反應(yīng)要有熱、電、光的激發(fā)，即水熱反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。在溶液反應(yīng)中可以利用溶

42、解、析出、氧化、還原，水解，離子交換，螯合等物化過程或酶反應(yīng)和生物反應(yīng)，見圖11-13所示。圖11-13 從多成分材料的流體直接制造方法軟溶液工藝舉例（1）熒光陶瓷膜AWO4（ACa、Sr、Ba）的常溫合成；（2）BaTiO3、SrTiO3薄膜水熱電化學(xué)合成；（3）熱水法在TiAl上的SrTiO3涂層；（4）熱水法在SiC纖維的碳涂層；（5）磷灰石晶須的水熱法合成；（6）熱水熱壓法在200300制造的很多陶瓷（包括從Si、TiO2到焚燒灰、放射性廢棄物為原料）。（7）采用溶液電化學(xué)法合成鋰電池電極材料LiNiO2。3原料綠色化（1）合理開發(fā)利用各種工業(yè)廢渣、低品位原料乃至各種污泥來生產(chǎn)建筑陶瓷

43、，不僅可直接降低產(chǎn)品成本，而且提高了社會(huì)效益和環(huán)境效益；（2）利用礦物原料或工業(yè)礦渣制備色料，減少有毒有害原料的使用。（二）新型陶瓷生態(tài)材料 陶瓷生態(tài)材料：通過改變陶瓷的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)研制新材料或改進(jìn)現(xiàn)有材料，使之成為具有高性能、高功能，用以取代其他高能耗、壽命短等環(huán)境負(fù)載高的材料?，F(xiàn)代陶瓷材料的功能和應(yīng)用簡(jiǎn)介見表11-4。表11-4 現(xiàn)代陶瓷材料的功能和應(yīng)用簡(jiǎn)介氧 化 物 陶 瓷功能材料應(yīng)用電氣、電子功能絕緣性Al2O3，BeO基板 介電性BaTiO3，TiO2電容器壓電性Pb（Zrx，Tix）O3ZnO，SiO2震蕩器、點(diǎn)火元件、表面彈性波延遲元件磁性Zrx Mnx Fe2O3記憶運(yùn)算

44、元件、磁芯 半導(dǎo)體SnO2ZnO-Bi2O3電阻元件、氣體傳感器、可變電阻離子導(dǎo)電性BaTiO3，-Al2O3，穩(wěn)定化ZrO2NaS電池，氧傳感器機(jī)械功能耐磨耗性切削性Al2O3，ZrO2研磨材料、切削工具光學(xué)功能熒光性Y2O3熒光體透光性Al2O3Na燈套管 偏光性PLZT光學(xué)偏光元件導(dǎo)光性SiO2，多成分系統(tǒng)玻璃光纜熱功能耐熱性Al2O3耐熱結(jié)構(gòu)材料絕熱性K2O.n TiO2，CaO . n SiO2，ZrO2絕熱材料 熱傳導(dǎo)性BeO基板核能相關(guān)功能反應(yīng)堆U O2BeO核燃料減速材料非氧化物陶瓷電氣、電子功能絕緣性C，SiC，AlN基板 導(dǎo)電性SiC，MoSi發(fā)熱體半導(dǎo)體SiC可變電阻、避

45、雷器電子放射性LaB6電子槍用熱陰極機(jī)械功能耐磨耗性B4C，金剛石耐磨耗材料切削性C-BN，TiC，WC，TiN切削工具強(qiáng)度功能Si3N4 ，SiC耐熱，耐腐蝕材料，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑功能C，MoS2，h-BN高溫軸承潤(rùn)滑劑光學(xué)功能透光性AlON，含氮玻璃窗材光反射性TiN集光材料 熱功能耐熱性SiC，Si3N4 ，h-BN，C各種耐熱材料絕熱性SiC，C各種耐熱材料 熱傳導(dǎo)性SiC，C，AlN基板核能相關(guān)功能反應(yīng)堆UCSiC，CCB4C核燃料核燃料包覆材料減速劑控制材料生物化學(xué)功能耐腐蝕性h-BN，TiB，Si3N4SiC，C蒸汽容器，泵材，其他各種耐腐蝕材料1. 結(jié)構(gòu)陶瓷現(xiàn)代結(jié)構(gòu)陶瓷則具有耐高溫、

46、耐腐蝕、耐磨損、高硬度、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性和質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在能源、石油化工、空間技術(shù)等領(lǐng)域。 （1）能源材料能源材料是指提高能源設(shè)備效率和節(jié)約能源的材料。氮化硅、碳化硅陶瓷、賽?。⊿ialon）陶瓷、陶瓷纖維增強(qiáng)合金以及陶瓷顆粒彌散增強(qiáng)合金，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫性能，可提高能源利用率，減少大氣污染，是可以承擔(dān)氧化物陶瓷和金屬材料無(wú)法勝任條件下使用的材料。表11-5是對(duì)300kW發(fā)電規(guī)模氣體渦輪機(jī)的熱效率和二氧化碳排放量分析，采用金屬制渦輪機(jī)熱效率為20，而陶瓷渦輪機(jī)葉的渦輪機(jī)耐高溫，入口溫度可達(dá)到1350，所以熱效應(yīng)可提高到42，二氧化碳排放量可減少50以上。表11-5 300kW發(fā)電規(guī)模氣體渦輪機(jī)的熱效率和二氧化碳排放量分析項(xiàng) 目金屬制氣體渦輪機(jī)陶瓷制渦輪機(jī)葉（再生式）使用燃料液化天然氣液化天然氣冷卻系統(tǒng)無(wú)無(wú)渦輪機(jī)入口溫度（）9001350熱效率（）2042CO2產(chǎn)生量（kg/月）5990028600發(fā)電單耗（kcal/kWh）43002050CO2產(chǎn)生量（g/kWh）1020490注：CO2產(chǎn)生量是以1日24 h運(yùn)轉(zhuǎn)30天，換算成碳計(jì)算；液化天然氣按主要成分甲烷89，乙烷5，丙烷5，丁烷1核算。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：不需要冷卻水系統(tǒng)，因而重量輕，體積小，故障率低。耐熱陶瓷還可以用在高溫發(fā)熱爐、高溫反應(yīng)器、核反應(yīng)堆吸收熱中子控制棒，高導(dǎo)熱性陶