第一章 2 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性能

1、1、高性能陶瓷概述 陶瓷是我國古代的偉大發(fā)明之一，從陶器到瓷器經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史發(fā)展時(shí)期，是人類對陶瓷制備科學(xué)與技術(shù)逐步認(rèn)識的過程。然而，從傳統(tǒng)陶瓷到近代的先進(jìn)陶瓷，則是工業(yè)革命和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物。 先進(jìn)陶瓷包括結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料。 結(jié)構(gòu)陶瓷主要是利用陶瓷材料的力學(xué)性能、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特性，用于制備各種結(jié)構(gòu)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、切削刀具、磨料(mlio)磨具、軸承、閥門、噴嘴、窯具材料、催化劑載體等。第一章 緒 論 共七十二頁 高性能結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和化學(xué)(huxu)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能的一類先進(jìn)的結(jié)構(gòu)陶瓷

2、，已逐步成為航天航空、新能源、電子信息、汽車、冶金、化工等工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵材料。 共七十二頁根據(jù)材料的化學(xué)組成，高性能結(jié)構(gòu)(jigu)陶瓷又可分為: 氧化物陶瓷（如Al2O3、ZrO2）、 氮化物陶瓷（如Si3N4、AlN）、 碳化物陶瓷（如SiC、TiC）、 硼化物陶瓷（如TiB2、ZrB2）、 硅化物陶瓷（如MoSi2） 及其他新型結(jié)構(gòu)陶瓷（如Cf/SiC復(fù)合材料）。共七十二頁用途舉例： 氧化鋯及其增韌的復(fù)相陶瓷具有高的室溫強(qiáng)度和斷裂韌性，是制作陶瓷活塞、刀具、軸承、閥門等理想的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。 碳化硅和氮化硅陶瓷在制備燃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和高溫窯具中具有不可替代的位置。在耐磨部件的研制中

3、，已有越來越多的金屬部件被結(jié)構(gòu)陶瓷所取代，并顯著提高了設(shè)備的使用壽命。 在軍事裝備方面，結(jié)構(gòu)陶瓷可用作防彈材料、窗口材料、火箭(hujin)噴管等。共七十二頁 在電子(dinz)和通訊領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)陶瓷是重要的基板材料、封裝材料和光纖接頭材料； 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)陶瓷良好的生物相容性使其在人體骨骼和牙齒的修補(bǔ)中獲得廣泛應(yīng)用； 在涂層和隔熱方面：高性能結(jié)構(gòu)陶瓷也充分顯示了它獨(dú)特的作用(隔熱瓦航空航天)。共七十二頁 高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的致命缺點(diǎn)是脆性破壞和可靠性較差。 近30年來，為解決高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的脆性和可靠性問題開展了大量的基礎(chǔ)研究(ynji)和應(yīng)用開發(fā)，其研究(ynji)熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方

4、面： (1) 組成多元化、復(fù)合化 單組份陶瓷的性能已遠(yuǎn)不能滿足高技術(shù)發(fā)展的需要。為更好地利用陶瓷材料的性能，在許多應(yīng)用條件下需要將多種陶瓷進(jìn)行組合或復(fù)合，以改善單組份陶瓷的性能或取得多組份材料性能互補(bǔ)的優(yōu)勢，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。其技術(shù)措施包括第二相顆粒彌散強(qiáng)化、纖維或晶須補(bǔ)強(qiáng)、原位生長針柱狀晶補(bǔ)強(qiáng)、仿生增韌及納米復(fù)合等。共七十二頁 (2) 結(jié)構(gòu)微細(xì)化、納米化 從20世紀(jì)80年代開始，納米結(jié)構(gòu)陶瓷的研究受到高度重視。當(dāng)致密陶瓷的晶粒尺寸由微米細(xì)化到納米級時(shí)，其晶界數(shù)量呈幾何級數(shù)增加，應(yīng)力(yngl)可通過晶界的滑移作用而消失，使納米陶瓷在一定的溫度和應(yīng)變速率條件下表現(xiàn)出超塑性，為陶瓷材料在高新技術(shù)領(lǐng)域

5、中發(fā)揮更大的作用，獲得更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前納米陶瓷粉末的制備技術(shù)已取得很大進(jìn)展，用共沉淀法、溶膠-凝膠法和化學(xué)氣相沉積法制備納米陶瓷粉末的技術(shù)已趨于成熟，納米粉末正獲得日益廣泛的應(yīng)用市場。 共七十二頁 (3) 性能可設(shè)計(jì)、可模擬 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)陶瓷的研究已從過去的經(jīng)驗(yàn)為主步入到能初步按照使用性能上的要求對陶瓷材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和裁剪(cijin)，同時(shí)一系列大型分析軟件如Studio、Ansys等可用于材料的性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系分析，對所設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行模擬和預(yù)測 。這樣，可大幅度地減少實(shí)驗(yàn)工作量，提高研究效率，并為一些新型材料的發(fā)現(xiàn)提供了理論指導(dǎo)。共七十二頁1.2 高性能陶瓷的

6、基本特性 陶瓷材料的特性主要由其化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷等決定。從晶體結(jié)構(gòu)看，陶瓷材料的原子間結(jié)合力主要為離子鍵、共價(jià)鍵或離子共價(jià)混合鍵。這些化學(xué)鍵不僅結(jié)合強(qiáng)度高，而且還具有方向性。 晶體缺陷(quxin)（特別是線缺陷(quxin)和位錯(cuò)）可以在晶體中運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)沿最密排面、最密排方向運(yùn)動(dòng)所需的臨界切應(yīng)力很小。這種位錯(cuò)的大量運(yùn)動(dòng)，使晶面產(chǎn)生明顯的滑移現(xiàn)象，并產(chǎn)生宏觀塑性變形。共七十二頁 宏觀塑性變形前后，金屬鍵的結(jié)合(jih)強(qiáng)度并不明顯改變，但是陶瓷中的離子鍵、共價(jià)鍵則不同。因陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對稱性低，當(dāng)位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)難以復(fù)原（因破壞了正負(fù)離子排列的最小能量狀態(tài)），可能導(dǎo)

7、致原子鍵的破壞，出現(xiàn)毫無塑性變形的脆性斷裂。由于結(jié)合鍵的不同，金屬和陶瓷材料的性質(zhì)差異極大，陶瓷的熔點(diǎn)和硬度可能比同種元素的金屬提高幾倍到十幾倍，如Al2O3的熔點(diǎn)約為金屬鋁的3倍，而硬度則比金屬鋁高出10多倍。共七十二頁 陶瓷材料結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是顯微結(jié)構(gòu)的不均勻性和復(fù)雜性。金屬材料通常是從相當(dāng)均勻的金屬熔體狀態(tài)凝固而成，隨后(suhu)還可以通過冷熱加工等手段來改善材料的顯微結(jié)構(gòu)，使之均勻化。金屬材料不含或含極少量氣孔。而陶瓷材料一般由粉料成型、燒結(jié)而成，不可避免地存在一定數(shù)量的氣孔。不同成分和粒度的粉料雖經(jīng)球磨混料，仍難以達(dá)到十分均勻的程度。此外，陶瓷晶界上還經(jīng)常存在與基體成分、結(jié)構(gòu)不同

8、的玻璃相。共七十二頁 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了材料的各項(xiàng)性能，包括力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能。 基于陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不難理解為什么結(jié)構(gòu)陶瓷具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等基本屬性，但存在脆性(cuxng)大、難加工、可靠性與重現(xiàn)性差等致命弱點(diǎn)。這些弱點(diǎn)給結(jié)構(gòu)陶瓷的工程化應(yīng)用帶來了許多困難。 共七十二頁1.2.1 結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能(1) 彈性以及彈性形變金屬材料在室溫(sh wn)靜拉伸載荷下，斷裂前一般都要經(jīng)過彈性變形和塑性變形兩個(gè)階段。而陶瓷材料一般都不出現(xiàn)塑性變形階段，極微小應(yīng)變的彈性變形后立即出現(xiàn)脆性斷裂、延伸率和斷面收縮都幾乎為零。兩類材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比如下圖所

9、示。共七十二頁 陶瓷材料的彈性變形服從虎克定律： E （1-1） E為彈性模量，是材料原子間結(jié)合力的反映。由上可知，陶瓷材料的彈性模量比金屬的大很多。 陶瓷材料形變的另一特點(diǎn)是：壓縮時(shí)的彈性模量大大高于拉伸時(shí)的彈性模量，即E壓E拉。 陶瓷材料壓縮時(shí)還可以產(chǎn)生少量的壓縮塑性變形。金屬材料，即使(jsh)是很脆的鑄鐵，其抗拉強(qiáng)度也有抗壓強(qiáng)度的1/31/4。但陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度通常不到抗壓強(qiáng)度的1/10。共七十二頁其彈性變形具有如下特征: 彈性模量大 這是由共價(jià)鍵和鍵合結(jié)構(gòu)所決定的。共價(jià)鍵具有方向性，使晶體具有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。離子鍵晶體結(jié)構(gòu)的鍵方向性雖不明顯，但滑移系受原子密排

10、面與原子密排方向的限制，還受靜電(jngdin)作用力的限制，其實(shí)際可動(dòng)滑移系較少。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，點(diǎn)陣常數(shù)較金屬晶體大，因而陶瓷材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)很困難。共七十二頁 陶瓷材料的彈性模量大小不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，還與其組成相的種類、分布比例及氣孔率有關(guān)。溫度上升陶瓷材料的彈性模量降低，熔點(diǎn)增加陶瓷材料的彈性模量增加，而當(dāng)氣孔率較小時(shí)。彈性模量又隨氣孔率增加呈線性降低。 通常陶瓷材料的壓縮彈性模量高于拉伸彈性模量，由圖1-2 -可見陶瓷在壓縮時(shí)，其曲線(qxin)斜率比拉伸時(shí)的大。此與陶瓷材料復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu)和不均勻性有關(guān)。共七十二頁共七十二頁 影響彈性模量的因素：溫度、材料

11、的熔點(diǎn)和致密度等。 溫度 由于原子間距以及結(jié)合力隨溫度的變化而變化，所以彈性模量對溫度變化很敏感。溫度升高，原子間距離增大(zn d)，彈性模量降低。一般來說，熱膨脹系數(shù)小的物質(zhì)往往具有較高的彈性模量。共七十二頁 熔點(diǎn) 物質(zhì)熔點(diǎn)的高低反映其原子間結(jié)合力的大小，熔點(diǎn)與彈性模量成正比關(guān)系。在300K以下，彈性模量E與熔點(diǎn)Tm之間滿足如下關(guān)系： E1000K Tm /Va (1-2) 式中Va為原子體積或分子體積，K為體積彈性模量。 致密度 彈性模量隨材料致密度的增加而迅速(xn s)增加，滿足如下關(guān)系式： E Eo（1f1Pf2P2） (1-3) 式中Eo為氣孔率為0時(shí)的彈性模量；f1和f2為由氣

12、孔形狀決定的常數(shù)，P為氣孔率。 共七十二頁 陶瓷材料的塑性變形 塑性變形是指外應(yīng)力去除(q ch)后尚保持著的部分變形。材料在斷裂之前所能容忍的形變量越大，則塑性變形越大，許多陶瓷到了高溫都表現(xiàn)出不同程度的塑性。但在室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料均不發(fā)生塑性變形。單晶MgO陶瓷因以離子鍵為主，在室溫下可經(jīng)受高度彎曲而不斷裂，這是極個(gè)別的特例。 共七十二頁 近年來的研究表明，當(dāng)陶瓷材料具有下述條件時(shí)，可顯示超塑性： 晶粒細(xì)小(尺寸小于1um)；晶體(jngt)是等軸晶；第二相彌散分布，能抑制高溫下基體晶粒的生長；晶粒之間存在液相或者玻璃相。 典型擁有超塑性的陶瓷材料是用化學(xué)共沉淀法制備的含Al2O3的

13、ZrO2粉體，成形后在1250oC左右燒結(jié)，可獲得相對密度為98左右的燒結(jié)體。這種陶瓷在1250oC、3.510-2s-1應(yīng)變速率下，最大應(yīng)變量可達(dá)400。陶瓷材料的超塑性與晶界滑動(dòng)或晶界液相流動(dòng)有關(guān)，和金屬一樣陶瓷材料的超塑性流動(dòng)也是擴(kuò)散控制過程。 共七十二頁 研究(ynji)結(jié)果表明，陶瓷超塑性與金屬超塑性的不同點(diǎn)如下： (1) 超塑性陶瓷的應(yīng)變速率和應(yīng)力之間既沒有金屬超塑性那樣的依賴關(guān)系，也無單一的 n 值。 (2) 當(dāng)存在晶間玻璃相時(shí)，陶瓷的 n 值幾乎隨玻璃相增加而減小；而超塑性金屬的n值幾乎隨初始晶粒尺寸增大而減小。 共七十二頁 (2) 硬度 硬度是材料的重要力學(xué)性能之一，它是材料

14、抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征(bio zhn)。由于結(jié)合鍵存在差異，陶瓷與金屬的硬度存在較大差異。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度(HB)，洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1為典型陶瓷材料的熔點(diǎn)和硬度。目前測試陶瓷材料硬度的方法主要有金剛石壓頭加載壓入法，測試內(nèi)容主要為洛氏硬度和維氏硬度（顯微硬度）。共七十二頁表1-1 典型結(jié)構(gòu)(jigu)陶瓷材點(diǎn)和硬度材料Al2O3MgOZrO2BeOB4CSiCZrC熔點(diǎn)/oC205028002667255024502800(分解)3540硬度(HV)2000122017001520495025502600材料TiCWC金剛石Si3N4

15、CBNAlNMoSi2熔點(diǎn)/oC316027201400(石墨化)1900(分解)3000(升華)2450(分解)2030硬度(HV)32002400100001700700014501180表1 -1 典型(dinxng)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的熔點(diǎn)和硬度共七十二頁共七十二頁共七十二頁 (3) 強(qiáng)度 強(qiáng)度與彈性模量和硬度一樣，是材料的本征物理參數(shù)。陶瓷材料的化學(xué)鍵決定了其在室溫下幾乎不能產(chǎn)生(chnshng)滑移或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此很難產(chǎn)生(chnshng)塑性變型，室溫下的強(qiáng)度測定只能得到一個(gè)斷裂強(qiáng)度(fracture strength f)。固體材料斷裂強(qiáng)度的理論值為： th 2E ro/ (1.4)

16、 式中E為彈性模量，ro為原子間結(jié)合力最大時(shí)原子間距增加量。共七十二頁 上式是假定理想晶體作完全彈性體脆性斷裂時(shí)的計(jì)算值。實(shí)際(shj)陶瓷材料的強(qiáng)度至少比理論強(qiáng)度小兩個(gè)數(shù)量級。 如Al2O3的th為46 GPa，幾乎無缺陷的Al2O3晶須的強(qiáng)度約為14 GPa，表面精密拋光的Al2O3細(xì)棒的強(qiáng)度約為7 GPa，而塊狀多晶Al2O3材料的強(qiáng)度只有0.1-1 GPa。理論計(jì)算和實(shí)際數(shù)值之所以有如此大的差距，主要是由于實(shí)際材料內(nèi)存在微小裂紋所致。陶瓷材料的強(qiáng)度主要包括彎曲強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等。共七十二頁 氣孔率 強(qiáng)度與氣孔率的關(guān)系近似滿足Ryskewitch經(jīng)驗(yàn)公式(gngsh)： o ex

17、p（aP） (1.5) 式中a為氣孔率， o為氣孔率為零時(shí)的強(qiáng)度，P為常數(shù)，其值在4 7之間。由此可見，為了獲得高強(qiáng)度，應(yīng)制備接近理論密度的無氣孔材料。影響(yngxing)陶瓷材料強(qiáng)度的因素主要有：共七十二頁 晶粒尺寸與形狀、晶界相的性質(zhì)與厚度(hud) 強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系符合Hall-Petch關(guān)系式： b o kd-1/2 (1-6) 式中o為無限大單晶的強(qiáng)度，k為系數(shù)，d為晶粒直徑。從上式可以看出，細(xì)晶組織對提高材料的室溫強(qiáng)度有利無害，而晶界相的性質(zhì)與厚度、晶粒形狀對強(qiáng)度的影響則較為復(fù)雜。 溫度 陶瓷材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度比金屬高很多。當(dāng)溫度T0.5Tm時(shí)，基本保持不變；當(dāng)溫度

18、高于0.5Tm時(shí)，才出現(xiàn)明顯降低。共七十二頁(4) 斷裂韌性 斷裂韌性是材料抵抗(dkng)裂紋擴(kuò)展的能力，是本征屬性，與裂紋的大小、形狀以及外力大小無關(guān)。陶瓷材料對裂紋的敏感性很強(qiáng)，斷裂韌性是評價(jià)陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，常用線彈性力學(xué)研究裂紋擴(kuò)展和斷裂的問題。下式用來評價(jià)材料的斷裂韌性： KICY f a1/2 (1-7) 式中KIC為斷裂韌性； f為臨界應(yīng)力，即材料的斷裂強(qiáng)度；Y為裂紋的幾何形狀因子；a為1/2裂紋長度。陶瓷和金屬材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度并不存在很大差異，但是反映材料裂紋擴(kuò)展抗力的斷裂韌性值卻有很大差異，一般低12個(gè)數(shù)量級。共七十二頁 陶瓷材料斷裂韌性的測試方法主要有單邊開

19、口梁法和壓痕法，具體操作可以參考相關(guān)測試技術(shù)。 陶瓷材料的脆性是限制(xinzh)其相關(guān)特性發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用的重要因素，為此，人們一直在不斷探尋各種方法來增加陶瓷材料的斷裂韌性，如：相變增韌，顆粒、晶須或纖維韌化、納米結(jié)構(gòu)韌化以及通過仿生結(jié)構(gòu)韌化等。具體可參考有關(guān)文獻(xiàn)。共七十二頁1.2.2 結(jié)構(gòu)陶瓷(toc)的熱學(xué)性能和抗熱震性 陶瓷材料的熱學(xué)性質(zhì)，如熔點(diǎn)、熱容、導(dǎo)熱率，熱膨脹系數(shù)等，不僅對陶瓷的制備具有重要意義，還直接影響它們在工程中的應(yīng)用。 熔點(diǎn) 與金屬材料相比，耐高溫是陶瓷材料優(yōu)異的特性之一。材料的耐熱性一般用高溫強(qiáng)度、抗氧化性以及耐燒蝕性等因子來判斷，但要成為耐熱材料，首先熔點(diǎn)必須高。熔

20、點(diǎn)是維持晶體結(jié)構(gòu)的原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的參數(shù)，結(jié)合力越強(qiáng)，原子的熱震動(dòng)越穩(wěn)定，越能將晶體結(jié)構(gòu)維持到更高溫度，熔點(diǎn)就越高。 圖1.2為各種材料熔點(diǎn)的對照圖。可以看出，單質(zhì)材料中，炭素材料的熔點(diǎn)最高；陶瓷材料中，碳化物的熔點(diǎn)最高。 共七十二頁圖1-2 各種材料的熔點(diǎn)共七十二頁 摩爾熱容 晶體材料的摩爾熱容對結(jié)構(gòu)不敏感，但是體積熱容卻取決于氣孔率。 熱膨脹 絕大多數(shù)晶體材料的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。陶瓷材料的線膨脹系數(shù)一般都不大，約為10-5 10-6/K。 熱膨脹系數(shù)實(shí)際并不是一個(gè)恒定的值，而是隨溫度變化的。一般陶瓷材料的線膨脹系數(shù)常指20 1000 的平均值。 熱導(dǎo)率 不同陶瓷

21、材料在熱導(dǎo)率性能上可以有很大的差別，有些材料是極為優(yōu)良的絕熱材料，有些又是熱的良導(dǎo)體。 通常，低溫時(shí)有較高熱導(dǎo)率的材料，隨溫度升高，熱導(dǎo)率降低(jingd)，而低熱導(dǎo)率的材料則具有相反的變化特征。共七十二頁表1-2 一些材料(cilio)的平均線膨脹系數(shù)材料線膨脹系數(shù)(0-1000oC)/X10-6/-1材料線膨脹系數(shù)(0-1000oC)/X10-6/-1Al2O38.8AIN4.5BeO9.0BN2.7MgO13.5Si-B-C-N0.5莫來石5.3Y2O39.3尖晶石7.6ZrO2（穩(wěn)定化的）10.8ThO29.2熔融SiO2玻璃0.5UO210.0鈉-鈣-硅酸鹽玻璃9.0B4C4.5瓷器

22、6.0TiC7.4稀土耐火材料5.5SiC4.4MgOAl2O39.0SiC4.8Al2O3TiO22.5SiC4.8鋰霞石-6.4Si3N43.2鋰輝石1.0Si3N43.4堇青石2.5Si3N42.6TiC金屬陶瓷9.0-Sialon3ZrSiO44.5共七十二頁 抗熱震性 陶瓷材料熱應(yīng)力大小取決于材料的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，并且還受構(gòu)件幾何形狀和環(huán)境介質(zhì)的影響。所以作為陶瓷材料抵抗溫度變化能力大小標(biāo)志的抗熱震性，也必將是其力學(xué)性能和熱學(xué)性能對應(yīng)于各種受熱條件的綜合表現(xiàn)。陶瓷材料抗熱震性的評價(jià)理論主要有：臨界應(yīng)力斷裂理論、熱震損傷理論和裂紋(li wn)形成與擴(kuò)展理論等，這些理論不同程度地存

23、在著局限性。共七十二頁影響陶瓷抗熱震性的主要因素有： 熱膨脹系數(shù) 眾所周知，固體材料的熱膨脹是由于(yuy)原子熱振動(dòng)而引起，晶體中的平衡間距由原子間的勢能所決定，溫度升高則原子的振動(dòng)加劇，原于間距的相應(yīng)擴(kuò)大就呈現(xiàn)出宏觀的熱膨脹。 熱膨脹系數(shù)較低，抗熱震性較好表1-2 一些(yxi)材料的平均線膨脹系數(shù)共七十二頁 由表1-2可知，密堆積的離子鍵氧化物，如Al2O3等，具有較高的熱膨脹系數(shù)，且隨溫度升高而增大。大部分硅酸鹽晶體，如堇青石（MgO2Al2O35SiO2）和鋰霞石（Li2OAl2O32SiO2），由于晶體中原子堆積較松，其熱膨脹系數(shù)較低，抗熱震性較好。 共價(jià)鍵晶體，如SiC等，雖然其

24、晶體中原子緊密堆積，但由于具有高的價(jià)鍵方向性和較大的鍵強(qiáng)度，晶格振動(dòng)需要更大的能量，因而其熱膨脹系數(shù)較小。即共價(jià)晶體熱膨脹系數(shù)比離子晶體低。 為了改善(gishn)陶瓷材料的抗熱震性，應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)較小的組分。共七十二頁 熱導(dǎo)率 抗熱震性好的陶瓷材料，一般具有較高的熱導(dǎo)率。由于熱在陶瓷中的傳導(dǎo)主要依靠晶格振動(dòng)，因而硬度高的SiC陶瓷由于晶格振動(dòng)速度大，其熱導(dǎo)率較高。MgO、Al2O3和BeO等純氧化物陶瓷的熱導(dǎo)率比結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硅酸鹽要高。 彈性模量 熱應(yīng)力是彈性模量的增值函數(shù)，陶瓷材料的彈性模量比較高，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較高。一般彈性模量隨原子價(jià)的增多和原子半徑的減小而提高，因此(ync)選擇適

25、當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)組分是控制陶瓷材料彈性模量的重要途徑之一。 前面討論陶瓷材料的彈性模量，f 隨氣孔率的增大而減小，因此為了提高陶瓷的抗熱震性，應(yīng)增大氣孔率，降低彈性模量。共七十二頁 斷裂能 斷裂表面能是決定材料強(qiáng)度和斷裂韌性的重要因素，無論是抗熱震斷裂還是(hi shi)抗熱震損傷，均是斷裂能的增值函數(shù)。因此，凡是能提高材料斷裂能的組分和顯微結(jié)構(gòu)均能提高陶瓷材料的抗熱震性。 共七十二頁l.2.3 陶瓷材料的斷裂過程 陶瓷材料的斷裂過程都是以其內(nèi)部或表面存在的缺陷為起點(diǎn)而發(fā)生的。晶粒和氣孔尺寸在決定陶瓷材料強(qiáng)度方面與裂紋尺寸有等效(dn xio)作用。缺陷的存在是概率性的。 當(dāng)內(nèi)部缺陷成為斷裂原因時(shí)，隨

26、試樣體積增加，缺陷存在的概率增加，材料強(qiáng)度下降； 表面缺陷成為斷裂源時(shí)，隨表面積的增加，缺陷存在概率也增加，材料強(qiáng)度也下降。共七十二頁 陶瓷材料斷裂概率可以(ky)最弱環(huán)節(jié)理論為基礎(chǔ)，按韋伯分布函數(shù)考慮： 可以認(rèn)為同一組材料，韋伯模數(shù)是固定值。陶瓷材料在考慮其平均強(qiáng)度時(shí)，用韋伯模數(shù) m 度量其強(qiáng)度均勻性。若兩種陶瓷材料平均強(qiáng)度相同，則在一定的破壞應(yīng)力下，m值大的材料比 m 值小的材料發(fā)生破壞的可能性要小。 可以認(rèn)為，陶瓷材料的斷裂是以各種缺陷為裂紋源，在一定拉伸應(yīng)力作用下，其最薄弱環(huán)節(jié)處的微小裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，陶瓷材料在瞬間斷裂。共七十二頁共七十二頁l.2.4 陶瓷材料強(qiáng)度的測

27、量 如同金屬材料一樣，強(qiáng)度是陶瓷的最基本的性能(xngnng)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度比其理論值小12個(gè)數(shù)量級，只有晶須和纖維的實(shí)際強(qiáng)度較接近理論值。格里菲斯(Griffith)裂紋強(qiáng)度理論成功地解釋了這一差異。共七十二頁A彎曲強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度是評定陶瓷材料強(qiáng)度的主要實(shí)驗(yàn)方法，分為三點(diǎn)(sn din)彎曲強(qiáng)度和四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度： 試樣尺寸：長度LT 36mm，寬度為b，厚度為h，跨距為L=300.5mm，l=100. 5mm，加壓載頭Rl=2.05.0mm，R2=2.03.0mm。常用的試樣截面尺寸為 bh = 4mm 3mm。 彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)，以0.5mm/min的位移速度加載，求出最大斷裂

28、載荷，再按下式計(jì)算彎曲強(qiáng)度共七十二頁共七十二頁 四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的最大彎矩范圍較寬，其應(yīng)力狀態(tài)接近實(shí)際零部件的服役狀態(tài)故較為實(shí)用。由于四點(diǎn)彎曲試樣工作(gngzu)部分缺陷存在的幾率較大，因而同一材料的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度比三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度低。材料的韋伯模數(shù)越小時(shí)， b3 和 b4的差值越大。 在室溫條件下，陶瓷材料不發(fā)生屈服，常在形變量較小(0.0l)的狀態(tài)下即發(fā)生脆性斷裂。 當(dāng)溫度提高到一定程度(約1000oC)時(shí)，大部分陶瓷材料由脆性轉(zhuǎn)化為半脆性，斷裂前將出現(xiàn)不同程度的塑性變形，優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料其強(qiáng)度可保持到較高溫度(1000-1200)而不下降。共七十二頁B 拉強(qiáng)度 設(shè)計(jì)陶瓷零部件時(shí)常用其抗拉強(qiáng)

29、度值作為判據(jù)。陶瓷材料由于脆性大，在拉伸試驗(yàn)時(shí)易在夾持部位斷裂，加之夾具與試樣軸心不一致產(chǎn)生附加彎矩，因而往往測不出陶瓷材料真正的抗拉強(qiáng)度。為保證正確進(jìn)行(jnxng)陶瓷材料的拉伸試驗(yàn)，需要在試樣及夾頭設(shè)計(jì)方面做許多工作，如在平形夾頭中加橡膠墊固定薄片狀試樣，可防止試樣在夾持部位斷裂，并利用試樣的彈性變形減少附加彎矩。 由于測定陶瓷材料抗拉強(qiáng)度在技術(shù)上有一定難度，所以常用彎曲強(qiáng)度代之，彎曲強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高20-40。實(shí)際上，兩者之差隨試樣尺寸、韋伯模數(shù)和斷裂源位置等不同而不同。共七十二頁C 抗壓強(qiáng)度 陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，兩者相差10倍左右，因而陶瓷材料特別適于制造承受壓縮載荷

30、作用的零部件。 國家標(biāo)準(zhǔn)(u ji bio zhn)規(guī)定，壓縮試樣尺寸為直徑9.0mm0.05mm、長度18 mm 0.10 mm，兩端面研磨成平面并互相平行。共七十二頁1.2. 5陶瓷材料的斷裂韌性 目前國內(nèi)外測定陶瓷材料斷裂韌性的方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。常用的方法有單邊切口梁法、壓痕法、雙扭法和雙懸臂梁法。本節(jié)只簡要介紹前兩種測定方法。 A單邊切口粱法 該法所用的試樣見圖1.12。在試樣的一側(cè)用薄片金剛石砂輪加工出長度為a的裂紋(寬度小于0.2mm)。 試樣的截面尺寸wb = 5mm5mm，或 5 mm2.5mm； 切口深度 n 為試樣厚度(hud)w的1/10、1/4、1/2； 三點(diǎn)彎曲跨距L

31、 = 2040mm；加載速率為0.05mm /min共七十二頁共七十二頁 該方法適用于在高溫(gown)和各種介質(zhì)條件下測定KIC，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)分散性小，重現(xiàn)性較好，試樣加工和測定方法比較簡單。這是目前廣泛采用的一種方法。其缺點(diǎn)是測定的KIC值受切口寬度影響較大，切口寬度增加，KIC增大，誤差也隨之增大。若能將切口寬度控制在0.050.10mm以下，或在切口頂端預(yù)制一定長度的裂紋，則可望提高KIC值的準(zhǔn)確性。共七十二頁 B 壓痕法 用維氏或顯微硬度壓頭，壓入拋光的陶瓷試樣表面，在壓痕對角線延長方向出現(xiàn)四條裂紋，測定裂紋長度，根據(jù)載荷與裂紋長度的關(guān)系，求得KIc值。 壓入維氏硬度壓頭的載荷常用2

32、9.4N，使壓痕對角線裂紋長度在100m左右。裂紋為半橢圓形或半圓形。 壓痕法的優(yōu)點(diǎn)是測試方便，可以(ky)用很小試樣進(jìn)行多點(diǎn)韌度測試，但此法只對能產(chǎn)生良好壓痕裂紋的材料才有效。由于裂紋的產(chǎn)生主要是殘余應(yīng)力的作用，而殘余應(yīng)力又起因于壓痕周圍塑性區(qū)與彈性基體不匹配。因此，這種方法不允許壓頭下部材料在加載過程中產(chǎn)生相變或體積致密化現(xiàn)象，同時(shí)壓痕表面也不能有碎裂現(xiàn)象。共七十二頁共七十二頁 壓痕法通常用于對材料韌度的相對評價(jià)，因壓痕周圍應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，有可能出現(xiàn)(chxin)Kc、Kc混雜的情況，此外，表面質(zhì)量、加載速率、載荷保持時(shí)間、卸載后的測量時(shí)間等因素對裂紋長度均有影響，因此，測定KIc值的誤差較

33、大。KIc的數(shù)值(shz)按照下列公式計(jì)算：共七十二頁 材料的斷裂韌度是其強(qiáng)度和塑性的綜合反映。金屬材料隨強(qiáng)度提高，其塑性往往降低，斷裂韌度也隨之降低；陶瓷材料的強(qiáng)度與斷裂韌度的變化關(guān)系與金屬材料相反，隨陶瓷強(qiáng)度水平提高，其KIc值也隨之增大。這種不同的變化規(guī)律是由于金屬材料斷裂前在裂紋尖端產(chǎn)生大量塑性變形，消耗很大的塑性功，阻礙裂紋擴(kuò)展(kuzhn)所致。對于塑性較好的結(jié)構(gòu)鋼，其缺陷或裂紋對材料的強(qiáng)度或韌性的影響很小，只有在高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度狀態(tài)下，缺陷或裂紋才對鋼的強(qiáng)韌性產(chǎn)生顯著影響；陶瓷材料在室溫下幾乎沒有塑性裂紋擴(kuò)展(kuzhn)時(shí)，其尖端塑性區(qū)很小，消耗的功也很小，因而缺陷或裂紋大小對

34、強(qiáng)韌性的影響十分敏感。共七十二頁 通常(tngchng)陶瓷與金屬的斷裂強(qiáng)度C屬于同一數(shù)量級，而陶瓷的KIC值比金屬小12個(gè)數(shù)量級，因此，陶瓷中的臨界裂紋長度比金屬小24個(gè)數(shù)量級。 由以上可知，欲提高陶瓷材料的強(qiáng)度，應(yīng)盡量減小其內(nèi)部缺陷和裂紋。選用超細(xì)粉原料，采用熱壓或熱辱靜壓工藝，可以降低陶瓷中的缺陷和裂紋的數(shù)量及大小。利用ZrO2相變增韌、微裂紋增韌、第二相或纖維增韌等手段，均可增加裂紋擴(kuò)展阻力，這些都是提高陶瓷材料強(qiáng)度和韌性的有效措施。共七十二頁1.2.6 陶瓷材料的疲勞強(qiáng)度 在機(jī)械零部件上應(yīng)用工程陶瓷時(shí)須了解其長期耐用性。對金屬材料的蠕變、高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞等的研究已較為深入，

35、而陶瓷材料在這些方面的研究尚屬起步階段。 陶瓷材料的疲勞包括靜態(tài)疲勞、動(dòng)態(tài)疲勞、循環(huán)疲勞和熱疲勞等。 A靜態(tài)疲勞 這是在靜載荷作用下，材料的承載能力隨時(shí)間延長而下降產(chǎn)生的斷裂，對應(yīng)于金屬材料中的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂。當(dāng)外加應(yīng)力低于斷裂應(yīng)力時(shí)，陶瓷材料也可能出現(xiàn)(chxin)亞臨界裂紋擴(kuò)展。這一過程與溫度、應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)諸因素密切相關(guān)。 共七十二頁 陶瓷材料的亞臨界裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系示于圖1-14。圖中包括了四個(gè)區(qū)域： KIKth區(qū)，裂紋不發(fā)生亞臨界擴(kuò)展(Kth為應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值)； 低速區(qū)(I區(qū))，裂紋擴(kuò)展速率da/dt隨KT提高而增大，材料與環(huán)境(hunjng)介質(zhì)之間

36、的化學(xué)反應(yīng)不是裂紋擴(kuò)展速率的控制因素； 中速區(qū)(區(qū))，裂紋擴(kuò)展速率僅與環(huán)境有關(guān)而與KI無關(guān)； 高速區(qū)(區(qū))，裂紋擴(kuò)展速率如da/dt隨KT變化呈指數(shù)關(guān)系增長，與環(huán)境介質(zhì)無關(guān)。這一階段的速率取決于材料的組分、結(jié)構(gòu)和顯微組織。共七十二頁共七十二頁 工程陶瓷零件的使用壽命，幾乎完全由其裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)(I區(qū))決定。對I區(qū)而言，裂紋擴(kuò)展速率dadt與應(yīng)力強(qiáng)度因子K1之間的關(guān)系為： 陶瓷材料的靜強(qiáng)度值分散性很大，所以其疲勞強(qiáng)度值的分散性更大。為此在試驗(yàn)方法上應(yīng)增大測量時(shí)間范圍；在數(shù)據(jù)處理上必須考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的概率分布。 圖1-15為兩種以MgO為穩(wěn)定劑的部分穩(wěn)定氧化锫陶瓷材料(Mg(PSZ)MS和TS的靜態(tài)

37、疲勞曲線曲線圖采用(ciyng)雙對數(shù)坐標(biāo)，彎曲強(qiáng)度與斷裂時(shí)間呈直線關(guān)系，直線的斜率即為-l/n，由此可以求得應(yīng)力腐蝕指數(shù)n值。共七十二頁共七十二頁B動(dòng)態(tài)疲勞 這是以恒定載荷速率加載，研究陶瓷斷裂對加載速率敏感性的試驗(yàn)驗(yàn)，類似(li s)于金屬材料應(yīng)力腐蝕研究中的慢應(yīng)變速率拉伸。C 循環(huán)疲勞 循環(huán)疲勞是在循環(huán)載荷作用下，陶瓷材料的低應(yīng)力斷裂。金屬疲勞以塑性變形為先導(dǎo)，在交變載荷作用下，材料在遠(yuǎn)低于靜強(qiáng)度的低應(yīng)力下發(fā)生斷裂。陶瓷是脆性材料，其裂紋尖端塑性區(qū)很小，疲勞破壞以慢速龜裂擴(kuò)展的方式發(fā)生。關(guān)于陶瓷材料是否存在真正的循環(huán)疲勞效應(yīng)目前的看法還不相同。共七十二頁D 熱疲勞 熱疲勞是陶瓷材料在溫度

38、周期性反復(fù)變化條件下產(chǎn)生的疲勞，其本質(zhì)與循環(huán)應(yīng)變產(chǎn)生的疲類似。圖1-16是以MgO為穩(wěn)定劑的部分穩(wěn)定氧化鋯(Mg(PSZ)陶瓷材料的疲勞曲線。圖中結(jié)果表明，材料的循環(huán)疲勞壽命與載荷的交變頻率無關(guān)。需要注意的是，金屬材料的疲勞壽命通常用循環(huán)周次表示，而陶瓷材料的疲勞壽命則用斷裂時(shí)間(shjin)表征。由圖可見，高強(qiáng)韌性陶瓷材料的靜態(tài)疲勞壽命高于循環(huán)疲勞壽命，此與陶瓷材料的非線性爭E特性有關(guān)。陶瓷材料非線性出e關(guān)系是由于裂紋尖端的高應(yīng)力區(qū)不可逆地吸收能量所致。相變增韌、微裂紋增韌以及纖維增強(qiáng)增韌等均可導(dǎo)致陶瓷材料不可逆吸收能量過程，從而影響疲勞壽命。共七十二頁共七十二頁E陶瓷材料疲勞特性評價(jià) 陶瓷材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅之間的關(guān)系同樣符合Paris公式，金屬材料的n值一般在27之間，陶瓷的n值比金屬大得多，一般在10以上。陶瓷的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值Kth與斷裂韌度KI