陶瓷工藝學(xué)第7章課件

第7章陶瓷材料強度的控制陶瓷材料使用過程中所要求達(dá)到的一些有關(guān)力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)方面的技術(shù)性能，一方面受材料的本征物理量所影響，同時又受材料的顯微結(jié)構(gòu)以及制約著顯微結(jié)構(gòu)形成的工藝因素的支配。2022/12/31第7章陶瓷材料強度的控制陶瓷材料使用過程17.1陶瓷材料強度的特征Orowan提出，固體材料的理論強度σth

：E—材料的彈性模量，Pa；γ—材料的表面斷裂能，J/m2；a—原子間的平衡距離或晶格常數(shù)。σth≈0.1E

實驗表明，陶瓷材料的實際強度遠(yuǎn)小于其理論強度。?1.陶瓷材料的強度2022/12/317.1陶瓷材料強度的特征Orowan提出，固體材料的理2Griffith微裂紋理論：材料中總存在著許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下裂紋或缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到一定程度時（遠(yuǎn)小于原子間的結(jié)合力），裂紋擴展連接而導(dǎo)致材料整體破壞。裂紋擴展的動力是材料內(nèi)彈性應(yīng)變能的釋放或降低。E—材料的彈性模量，Pa；γ—材料的表面斷裂能，J/m2；c—裂紋長度的一半。裂紋擴展的臨界應(yīng)力：2022/12/31Griffith微裂紋理論：材料中總存在著許32.陶瓷材料中裂紋產(chǎn)生的原因（1）因動力學(xué)條件不滿足，晶體生長存在著許多缺陷，如位錯，它們在運動過程中受晶界制約形成塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂紋。（2）陶瓷材料的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。（3）陶瓷多相體熱性質(zhì)的不同引起裂紋。晶相各向異性與晶粒取向不同產(chǎn)生應(yīng)力，晶相與玻璃相的膨脹系數(shù)差異等。（4）不規(guī)則氣孔的存在，其作用相當(dāng)于裂紋。這與燒結(jié)程度、密度有關(guān)。（5）材料表面的粗糙度會影響表面裂紋的大小變化。2022/12/312.陶瓷材料中裂紋產(chǎn)生的原因（1）因動力學(xué)條件不滿足，47.2

影響常溫強度的因素(一)顯微結(jié)構(gòu)與常溫強度的關(guān)系1.氣孔對陶瓷強度的影響陶瓷強度總是隨氣孔率升高而下降。坯體越致密，氣孔愈少，則強度愈高。原因：氣孔（1）降低了承受載荷作用的有效橫截面積；（2）引起應(yīng)力集中而使強度下降；（3）氣孔率升高能造成材料的彈性模量降低，從而影響強度。σ

＝σ0exp(-b

p)p－氣孔率,％；σ0－p＝0時的強度,MPa；b－常數(shù)。2022/12/317.2影響常溫強度的因素(一)顯微結(jié)構(gòu)與常溫強度的關(guān)5氣孔的大小、形狀及分布都會對陶瓷強度產(chǎn)生影響。原因：氣孔率<10%時，主要為閉口氣孔，尺寸小，呈圓形，阻止裂紋擴展。氣孔率>10%時，開口氣孔增多，呈狹長的通道，類似裂紋，成為斷裂的引發(fā)劑，造成強度下降。氣孔率<10%，強度基本不變；氣孔率>10%，強度下降。2022/12/31氣孔的大小、形狀及分布都會對陶瓷強度產(chǎn)生影響。原因：氣孔率62.晶相對陶瓷強度的影響主晶相不同及含量不同對強度有影響。普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，強度越高。晶相種類及含量對陶瓷強度的影響瓷質(zhì)長石質(zhì)瓷強化長石質(zhì)瓷剛玉瓷主晶相及含量莫來石20～30%莫來石、剛玉40～60%剛玉>90%抗折強度/MPa801005002022/12/312.晶相對陶瓷強度的影響主晶相不同及含量不同對強度有影響。7（1）晶粒尺寸對強度的影響

多晶陶瓷強度σf與晶粒直徑d的關(guān)系符合半經(jīng)驗公式：σf＝Kd-α

K—與晶體結(jié)構(gòu)及材料顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)；α—與材料特性和實驗常數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。部分研究結(jié)果顯示，α的取值為α＝1/8～1；當(dāng)d值小時，α的取值也?。划?dāng)d值大時，α的取值也大。因此，陶瓷強度對晶粒尺寸的依賴性很強。2022/12/31（1）晶粒尺寸對強度的影響多晶陶瓷強度σf與晶粒直徑d的8坯體中出現(xiàn)的裂紋往往和晶粒尺寸呈正比。a.裂紋長度大，則出現(xiàn)斷裂所需的負(fù)荷??；b.裂紋有一定長度時，尖端部分出現(xiàn)應(yīng)力集中，尖端的曲率半徑愈小則應(yīng)力愈集中，小的負(fù)荷即可使裂紋擴展斷裂。2022/12/31坯體中出現(xiàn)的裂紋往往和晶粒尺寸呈正比。a.裂紋長度大，則9晶粒尺寸增大對強度影響的原因：晶粒尺寸減小，為什么會使陶瓷材料的強度提高？①大晶粒出現(xiàn)裂紋的幾率增大；②大晶粒的各向異性導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加劇。①晶粒尺寸減小，比表面積增加，晶界面積增加，裂紋擴

展的阻力愈大，或者說外加破壞負(fù)荷衰減愈多，因此強

度增加；②細(xì)晶粒的應(yīng)力集中效應(yīng)小于粗晶粒的；③非立方結(jié)構(gòu)的陶瓷材料中，粗顆粒的各向異性使晶界產(chǎn)

生裂紋，增大內(nèi)應(yīng)力，降低斷裂能，從而降低強度。2022/12/31晶粒尺寸增大對強度影響的原因：晶粒尺寸減小，為什么會使陶瓷材10

玻璃相含量多的三組分陶瓷中，晶粒大小也會影響其機械強度。玻璃相和石英的熱膨脹系數(shù)存在差異，隨著石英顆粒尺寸的增加，玻璃相由承受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槌惺軓垜?yīng)力，故其強度下降。2022/12/31玻璃相含量多的三組分陶瓷中，晶粒大小也會影響其機械11通過討論晶粒大小對強度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強度：①提高原料微粉的品質(zhì)，特別是對氧化物與非氧化物陶瓷。要求粉體盡量細(xì)；大小、形狀均一，化學(xué)純度和相結(jié)構(gòu)的單一性好；②科學(xué)選擇燒結(jié)溫度，選擇最佳工藝條件，防止晶粒長大；③選擇適當(dāng)?shù)奶砑游镔|(zhì)和加入量，抑制晶粒異常長大，促進致密化。2022/12/31通過討論晶粒大小對強度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強度：12（2）晶型和晶粒形貌對強度的影響晶型：滑石瓷，正常生成情況下，主晶相為原頑輝石（斜方晶系），控制不當(dāng)時會轉(zhuǎn)變?yōu)樾鳖B輝石（單斜晶系），伴隨著2.8%的體積變化，并產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致坯體碎裂、粉化。晶粒形貌的影響：

熱壓燒結(jié)，加入5%MgO為燒結(jié)促進劑α-Si3N4，低溫穩(wěn)定型，六方晶系，等軸狀、短柱狀晶體。β-Si3N4，高溫穩(wěn)定型，六方晶系，針狀、長柱狀晶體。2022/12/31（2）晶型和晶粒形貌對強度的影響晶型：滑石瓷，正常生成情況下132022/12/312022/12/3014（3）晶界對強度的影響

由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力作用下擴展的裂紋遇到晶界往往會終止。如晶界上有氣孔存在而出現(xiàn)應(yīng)力集中，則裂紋會沿晶界延長。多晶材料，晶粒取向不同，各向異性，會在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力，降低強度。晶界中的雜質(zhì)、第二相晶粒對強度也有或好或壞的影響。2022/12/31（3）晶界對強度的影響由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力153.玻璃相對陶瓷強度的影響普通陶瓷：玻璃相是主體，其強度對陶瓷強度起主要作用；構(gòu)成玻璃相的組成的鍵強顯得較重要。玻璃相數(shù)量少，晶相多，則陶瓷強度高。氧化物和非氧化物陶瓷：生產(chǎn)中加入添加劑，以促進坯體燒結(jié)，但會生成少量的玻璃相，使陶瓷的強度下降很多。一般需要進行熱處理，使玻璃相轉(zhuǎn)化為晶相。2022/12/313.玻璃相對陶瓷強度的影響普通陶瓷：玻璃相是主16（二）工藝因素與常溫強度的關(guān)系高強度陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的特點是：密度要高，氣孔和裂紋要少，晶粒尺寸要適當(dāng)。2022/12/31（二）工藝因素與常溫強度的關(guān)系高強度陶瓷顯微17控制坯體致密化與晶粒粗化過程的分析：致密化速率：ρ晶粒的粗化速率：?提高ρ/?速率的方法：（1）選用適當(dāng)?shù)奶砑觿唬?）采用細(xì)粒易燒結(jié)的粉末；（3）采用有效的燒成工藝與方法。2022/12/31控制坯體致密化與晶粒粗化過程的分析：致密化速率：ρ晶粒的粗181.原料制備工藝的影響可提高其反應(yīng)活性，增加表面缺陷、比表面積和反應(yīng)能力，使燒結(jié)溫度降低并易于燒結(jié)，減少氣孔，從而有利于實現(xiàn)致密化。

2022/12/311.原料制備工藝的影響可提高其反應(yīng)活性，增19（1）采用化學(xué)方法制備出超細(xì)、性能良好的粉料TiO2制備方法粒度/μm燒結(jié)溫度/℃晶粒大小/μm相對密度/%傳統(tǒng)工藝>101300~140010~5070~80以四乙醇鈦為原料制備<0.310501.299以四異醇鈦為原料制備<0.088000.1599不同方法制得的TiO2的粒度與其它性能的關(guān)系（2）采用嚴(yán)格的保障措施，防止雜質(zhì)進入原料中，保證純度。2022/12/31（1）采用化學(xué)方法制備出超細(xì)、性能良好的粉料TiO2制備方法20(3)若采用壓制法成型，則對細(xì)粉料進行造粒處理，使之適應(yīng)成型需要。（4）原料配比時要選擇合適的添加劑，這對氧化物和非氧化物陶瓷非常重要。添加劑的作用主要有：？選擇添加劑的原則：（R.J.Brook）a.添加劑的金屬離子大小和主晶相的金屬離子相近，以促進形成固溶體；b.添加劑濃度和固溶體的極限要接近，以增強致密化效果；c.添加劑和主晶相金屬離子電價之差為1，以保證缺陷濃度和適當(dāng)?shù)娜芙舛?；d.添加劑有適當(dāng)?shù)膿]發(fā)性，使其在高溫下能均勻分布在坯體中。2022/12/31(3)若采用壓制法成型，則對細(xì)粉料進行造粒處理，使之適應(yīng)成212.成型工藝的影響普通陶瓷：因使用較多粘土，故一般用可塑法、澆注法成型，對強度影響不大。氧化物、非氧化物陶瓷：原料主要為化工原料，以及添加劑。經(jīng)常采用的成型方法有壓制成型（單向加壓、雙向加壓、冷等靜壓、熱等靜壓等）、熱壓注成型、擠壓成型、注射成型等。要保證成型坯體密度的均勻性。2022/12/312.成型工藝的影響普通陶瓷：因使用較多粘土，故一般用可塑法223.燒成方法與制度的影響采用通常燒成方法和制度煅燒陶瓷制品時，坯體中的氣孔難以完全排除。如果提高燒成溫度或是延長保溫時間，則會增加液相量，增加晶粒尺寸，甚至降低密度和強度。周玉等（1988年）認(rèn)為，這是由于燒成溫度升高后，使MgO在晶界上偏析，ZrO2晶體內(nèi)固溶的MgO量減少、晶粒長大、晶格畸變程度減少、變形與裂紋擴展阻力減少所致。2022/12/313.燒成方法與制度的影響采用通常燒成方法和23一般說來，當(dāng)陶瓷坯體燒成收縮接近中止時，晶粒開始長大。因此，要獲得高強度的燒結(jié)體，可采取的燒成措施為快速燒成和熱壓燒結(jié)。晶粒尺寸/μm2022/12/31一般說來，當(dāng)陶瓷坯體燒成收縮接近中止時，晶粒開始長大。因此，247.3

提高常溫強度，克服脆性的方法降低脆性、提高韌性、強度的方向：（1）減弱裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)。（2）提高抵抗裂紋擴展的能力，即提高材料的斷裂能。1.陶瓷材料的表面補強（1）熱處理（2）化學(xué)處理（3）施布涂層將燒后產(chǎn)品經(jīng)過物理或化學(xué)處理，使表面出現(xiàn)壓應(yīng)力，消除部分裂紋，以提高產(chǎn)品抵抗裂紋擴展的能力。2022/12/317.3提高常溫強度，克服脆性的方法降低脆性、提高韌性、252022/12/312022/12/30262022/12/312022/12/30272.陶瓷的復(fù)合增韌（1）金屬與陶瓷的復(fù)合：金屬陶瓷條件：a.金屬相與陶瓷相能均勻分散組成交錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。b.金屬對陶瓷的潤濕性良好。此外，金屬在高溫煅燒時易氧化，降低材料的高溫性能。（2）纖維與陶瓷的復(fù)合纖維類型：金屬纖維：難熔金屬絲（鎢絲、鉬絲等）非金屬纖維：碳、B的纖維陶瓷纖維：BN、SiC、Al2O3、ZrO2纖維等2022/12/312.陶瓷的復(fù)合增韌（1）金屬與陶瓷的復(fù)合：金屬陶瓷條件：a28纖維對陶瓷的補強、增韌取決與以下因素：b.纖維與基體的配比：二者承受的應(yīng)力和其體積分?jǐn)?shù)呈正比。c.纖維的排列方向：一維、二維、三維d.纖維與基體的結(jié)合力：適中e.纖維的尺寸：與基體中晶粒尺寸同一數(shù)量級，低于微裂紋出現(xiàn)的臨界半徑。a.纖維與基體的性質(zhì)：彈性模量、熱膨脹性的匹配及二者的化學(xué)相容性。2022/12/31纖維對陶瓷的補強、增韌取決與以下因素：b.纖維與基體的配比293.陶瓷的相變增韌主要是利用氧化鋯（ZrO2，Zirconia）相變時發(fā)生的體積變化增韌陶瓷。1160℃,收縮2300℃單斜相(monoclinic)四方相(tetragonal)立方相(Cubic)5.68g/cm3

膨脹6.1g/cm36.27g/cm3由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，伴隨著3～5%的體積膨脹和8%的剪切應(yīng)變。2022/12/313.陶瓷的相變增韌主要是利用氧化鋯（ZrO2，Zircon30（1）應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌a.ZrO2受周圍陶瓷基體的約束會抑制其相變，使相變溫度向低溫方向移動。如果室溫下有未相變的t-ZrO2，受張應(yīng)力后，基體對t-ZrO2的束縛減弱，使之轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2。轉(zhuǎn)化時吸收了能量，伴隨的體積膨脹減少了裂紋尖端集中的應(yīng)力。因此，裂紋擴展甚至斷裂所需要的應(yīng)力增大，從而提高陶瓷的斷裂韌性。b.t-ZrO2的相變溫度隨其粒度降低而下降，一直可降至室溫以下。2022/12/31（1）應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌a.ZrO2受周圍陶瓷基體的約束會31應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的使用條件：材料中有t-ZrO2顆粒存在，其開始相變溫度Ms比材料的使用溫度低。dc的差別源于ZrO2顆粒的化學(xué)組成不同。不同基體的含ZrO2陶瓷在室溫下相變時的臨界尺寸dc見下表:2022/12/31應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的使用條件：材料中有t-Zr32（2）微裂紋增韌Micro-crackingtoughening當(dāng)加入的t-ZrO2顆粒稍大（d>dc），則相變溫度在室溫以上。冷卻至室溫時，四方相已自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?。相變時的體積膨脹引起基體出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)受外力作用時，微裂紋會使主裂紋分叉或改變方向，吸收和消耗裂紋擴展所需的能量，因而減緩或阻礙裂紋擴展，達(dá)到增韌效果。但材料強度由于微裂紋的出現(xiàn)而下降。而且，如果t-ZrO2尺寸超過微裂紋生成的臨界值，則微裂紋的保護作用減弱，韌性又會降低。獲得最佳增韌效果對t-ZrO2顆粒尺寸的要求：2022/12/31（2）微裂紋增韌Micro-crackingtou33（3）裂紋分岔增韌

D.J.Green，1973：裂紋端與弱晶界作用使裂紋分支是兩相或多相材料主要的增韌機理?；w中較大的ZrO2顆粒相變時產(chǎn)生大的應(yīng)力，使晶界減弱和分離。它和主裂紋作用使裂紋分支，讓晶界開口或伸展，吸收能量而緩和裂紋端的應(yīng)力集中。加上分支的裂紋彎曲會增大斷裂表面積，從而提高韌性。As：單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗟拈_始溫度。Ms：四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗟拈_始溫度。Mf：最細(xì)的ZrO2顆粒由四方相完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗟臏囟取?022/12/31（3）裂紋分岔增韌D.J.Green，1934（4）裂紋扭轉(zhuǎn)增韌2022/12/31（4）裂紋扭轉(zhuǎn)增韌2022/12/3035任意排列的第二相顆粒對韌性的影響取決于扭轉(zhuǎn)顆粒的體積濃度和形狀：2022/12/31任意排列的第二相顆粒對韌性的影響取決于扭轉(zhuǎn)顆36（5）表面壓應(yīng)力增韌

N.Claussen(1979)提出，控制的ZrO2相變量，使含ZrO2材料的表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，抵消裂紋前沿的張應(yīng)力，也會使材料補強、增韌。獲得表面壓應(yīng)力的方法：表面研磨低溫?zé)崽幚硗繌?fù)含ZrO2的表面層、通過氧化反應(yīng)在表面層生成單斜ZrO2等。t-ZrO2對陶瓷的增韌往往是幾種機理同時起作用。2022/12/31（5）表面壓應(yīng)力增韌N.Claussen(37第7章陶瓷材料強度的控制陶瓷材料使用過程中所要求達(dá)到的一些有關(guān)力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)方面的技術(shù)性能，一方面受材料的本征物理量所影響，同時又受材料的顯微結(jié)構(gòu)以及制約著顯微結(jié)構(gòu)形成的工藝因素的支配。2022/12/31第7章陶瓷材料強度的控制陶瓷材料使用過程387.1陶瓷材料強度的特征Orowan提出，固體材料的理論強度σth

：E—材料的彈性模量，Pa；γ—材料的表面斷裂能，J/m2；a—原子間的平衡距離或晶格常數(shù)。σth≈0.1E

實驗表明，陶瓷材料的實際強度遠(yuǎn)小于其理論強度。?1.陶瓷材料的強度2022/12/317.1陶瓷材料強度的特征Orowan提出，固體材料的理39Griffith微裂紋理論：材料中總存在著許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下裂紋或缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到一定程度時（遠(yuǎn)小于原子間的結(jié)合力），裂紋擴展連接而導(dǎo)致材料整體破壞。裂紋擴展的動力是材料內(nèi)彈性應(yīng)變能的釋放或降低。E—材料的彈性模量，Pa；γ—材料的表面斷裂能，J/m2；c—裂紋長度的一半。裂紋擴展的臨界應(yīng)力：2022/12/31Griffith微裂紋理論：材料中總存在著許402.陶瓷材料中裂紋產(chǎn)生的原因（1）因動力學(xué)條件不滿足，晶體生長存在著許多缺陷，如位錯，它們在運動過程中受晶界制約形成塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂紋。（2）陶瓷材料的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。（3）陶瓷多相體熱性質(zhì)的不同引起裂紋。晶相各向異性與晶粒取向不同產(chǎn)生應(yīng)力，晶相與玻璃相的膨脹系數(shù)差異等。（4）不規(guī)則氣孔的存在，其作用相當(dāng)于裂紋。這與燒結(jié)程度、密度有關(guān)。（5）材料表面的粗糙度會影響表面裂紋的大小變化。2022/12/312.陶瓷材料中裂紋產(chǎn)生的原因（1）因動力學(xué)條件不滿足，417.2

影響常溫強度的因素(一)顯微結(jié)構(gòu)與常溫強度的關(guān)系1.氣孔對陶瓷強度的影響陶瓷強度總是隨氣孔率升高而下降。坯體越致密，氣孔愈少，則強度愈高。原因：氣孔（1）降低了承受載荷作用的有效橫截面積；（2）引起應(yīng)力集中而使強度下降；（3）氣孔率升高能造成材料的彈性模量降低，從而影響強度。σ

＝σ0exp(-b

p)p－氣孔率,％；σ0－p＝0時的強度,MPa；b－常數(shù)。2022/12/317.2影響常溫強度的因素(一)顯微結(jié)構(gòu)與常溫強度的關(guān)42氣孔的大小、形狀及分布都會對陶瓷強度產(chǎn)生影響。原因：氣孔率<10%時，主要為閉口氣孔，尺寸小，呈圓形，阻止裂紋擴展。氣孔率>10%時，開口氣孔增多，呈狹長的通道，類似裂紋，成為斷裂的引發(fā)劑，造成強度下降。氣孔率<10%，強度基本不變；氣孔率>10%，強度下降。2022/12/31氣孔的大小、形狀及分布都會對陶瓷強度產(chǎn)生影響。原因：氣孔率432.晶相對陶瓷強度的影響主晶相不同及含量不同對強度有影響。普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，強度越高。晶相種類及含量對陶瓷強度的影響瓷質(zhì)長石質(zhì)瓷強化長石質(zhì)瓷剛玉瓷主晶相及含量莫來石20～30%莫來石、剛玉40～60%剛玉>90%抗折強度/MPa801005002022/12/312.晶相對陶瓷強度的影響主晶相不同及含量不同對強度有影響。44（1）晶粒尺寸對強度的影響

多晶陶瓷強度σf與晶粒直徑d的關(guān)系符合半經(jīng)驗公式：σf＝Kd-α

K—與晶體結(jié)構(gòu)及材料顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)；α—與材料特性和實驗常數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。部分研究結(jié)果顯示，α的取值為α＝1/8～1；當(dāng)d值小時，α的取值也??；當(dāng)d值大時，α的取值也大。因此，陶瓷強度對晶粒尺寸的依賴性很強。2022/12/31（1）晶粒尺寸對強度的影響多晶陶瓷強度σf與晶粒直徑d的45坯體中出現(xiàn)的裂紋往往和晶粒尺寸呈正比。a.裂紋長度大，則出現(xiàn)斷裂所需的負(fù)荷?。籦.裂紋有一定長度時，尖端部分出現(xiàn)應(yīng)力集中，尖端的曲率半徑愈小則應(yīng)力愈集中，小的負(fù)荷即可使裂紋擴展斷裂。2022/12/31坯體中出現(xiàn)的裂紋往往和晶粒尺寸呈正比。a.裂紋長度大，則46晶粒尺寸增大對強度影響的原因：晶粒尺寸減小，為什么會使陶瓷材料的強度提高？①大晶粒出現(xiàn)裂紋的幾率增大；②大晶粒的各向異性導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加劇。①晶粒尺寸減小，比表面積增加，晶界面積增加，裂紋擴

展的阻力愈大，或者說外加破壞負(fù)荷衰減愈多，因此強

度增加；②細(xì)晶粒的應(yīng)力集中效應(yīng)小于粗晶粒的；③非立方結(jié)構(gòu)的陶瓷材料中，粗顆粒的各向異性使晶界產(chǎn)

生裂紋，增大內(nèi)應(yīng)力，降低斷裂能，從而降低強度。2022/12/31晶粒尺寸增大對強度影響的原因：晶粒尺寸減小，為什么會使陶瓷材47

玻璃相含量多的三組分陶瓷中，晶粒大小也會影響其機械強度。玻璃相和石英的熱膨脹系數(shù)存在差異，隨著石英顆粒尺寸的增加，玻璃相由承受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槌惺軓垜?yīng)力，故其強度下降。2022/12/31玻璃相含量多的三組分陶瓷中，晶粒大小也會影響其機械48通過討論晶粒大小對強度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強度：①提高原料微粉的品質(zhì)，特別是對氧化物與非氧化物陶瓷。要求粉體盡量細(xì)；大小、形狀均一，化學(xué)純度和相結(jié)構(gòu)的單一性好；②科學(xué)選擇燒結(jié)溫度，選擇最佳工藝條件，防止晶粒長大；③選擇適當(dāng)?shù)奶砑游镔|(zhì)和加入量，抑制晶粒異常長大，促進致密化。2022/12/31通過討論晶粒大小對強度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強度：49（2）晶型和晶粒形貌對強度的影響晶型：滑石瓷，正常生成情況下，主晶相為原頑輝石（斜方晶系），控制不當(dāng)時會轉(zhuǎn)變?yōu)樾鳖B輝石（單斜晶系），伴隨著2.8%的體積變化，并產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致坯體碎裂、粉化。晶粒形貌的影響：

熱壓燒結(jié)，加入5%MgO為燒結(jié)促進劑α-Si3N4，低溫穩(wěn)定型，六方晶系，等軸狀、短柱狀晶體。β-Si3N4，高溫穩(wěn)定型，六方晶系，針狀、長柱狀晶體。2022/12/31（2）晶型和晶粒形貌對強度的影響晶型：滑石瓷，正常生成情況下502022/12/312022/12/3051（3）晶界對強度的影響

由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力作用下擴展的裂紋遇到晶界往往會終止。如晶界上有氣孔存在而出現(xiàn)應(yīng)力集中，則裂紋會沿晶界延長。多晶材料，晶粒取向不同，各向異性，會在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力，降低強度。晶界中的雜質(zhì)、第二相晶粒對強度也有或好或壞的影響。2022/12/31（3）晶界對強度的影響由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力523.玻璃相對陶瓷強度的影響普通陶瓷：玻璃相是主體，其強度對陶瓷強度起主要作用；構(gòu)成玻璃相的組成的鍵強顯得較重要。玻璃相數(shù)量少，晶相多，則陶瓷強度高。氧化物和非氧化物陶瓷：生產(chǎn)中加入添加劑，以促進坯體燒結(jié)，但會生成少量的玻璃相，使陶瓷的強度下降很多。一般需要進行熱處理，使玻璃相轉(zhuǎn)化為晶相。2022/12/313.玻璃相對陶瓷強度的影響普通陶瓷：玻璃相是主53（二）工藝因素與常溫強度的關(guān)系高強度陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的特點是：密度要高，氣孔和裂紋要少，晶粒尺寸要適當(dāng)。2022/12/31（二）工藝因素與常溫強度的關(guān)系高強度陶瓷顯微54控制坯體致密化與晶粒粗化過程的分析：致密化速率：ρ晶粒的粗化速率：?提高ρ/?速率的方法：（1）選用適當(dāng)?shù)奶砑觿?；?）采用細(xì)粒易燒結(jié)的粉末；（3）采用有效的燒成工藝與方法。2022/12/31控制坯體致密化與晶粒粗化過程的分析：致密化速率：ρ晶粒的粗551.原料制備工藝的影響可提高其反應(yīng)活性，增加表面缺陷、比表面積和反應(yīng)能力，使燒結(jié)溫度降低并易于燒結(jié)，減少氣孔，從而有利于實現(xiàn)致密化。

2022/12/311.原料制備工藝的影響可提高其反應(yīng)活性，增56（1）采用化學(xué)方法制備出超細(xì)、性能良好的粉料TiO2制備方法粒度/μm燒結(jié)溫度/℃晶粒大小/μm相對密度/%傳統(tǒng)工藝>101300~140010~5070~80以四乙醇鈦為原料制備<0.310501.299以四異醇鈦為原料制備<0.088000.1599不同方法制得的TiO2的粒度與其它性能的關(guān)系（2）采用嚴(yán)格的保障措施，防止雜質(zhì)進入原料中，保證純度。2022/12/31（1）采用化學(xué)方法制備出超細(xì)、性能良好的粉料TiO2制備方法57(3)若采用壓制法成型，則對細(xì)粉料進行造粒處理，使之適應(yīng)成型需要。（4）原料配比時要選擇合適的添加劑，這對氧化物和非氧化物陶瓷非常重要。添加劑的作用主要有：？選擇添加劑的原則：（R.J.Brook）a.添加劑的金屬離子大小和主晶相的金屬離子相近，以促進形成固溶體；b.添加劑濃度和固溶體的極限要接近，以增強致密化效果；c.添加劑和主晶相金屬離子電價之差為1，以保證缺陷濃度和適當(dāng)?shù)娜芙舛?；d.添加劑有適當(dāng)?shù)膿]發(fā)性，使其在高溫下能均勻分布在坯體中。2022/12/31(3)若采用壓制法成型，則對細(xì)粉料進行造粒處理，使之適應(yīng)成582.成型工藝的影響普通陶瓷：因使用較多粘土，故一般用可塑法、澆注法成型，對強度影響不大。氧化物、非氧化物陶瓷：原料主要為化工原料，以及添加劑。經(jīng)常采用的成型方法有壓制成型（單向加壓、雙向加壓、冷等靜壓、熱等靜壓等）、熱壓注成型、擠壓成型、注射成型等。要保證成型坯體密度的均勻性。2022/12/312.成型工藝的影響普通陶瓷：因使用較多粘土，故一般用可塑法593.燒成方法與制度的影響采用通常燒成方法和制度煅燒陶瓷制品時，坯體中的氣孔難以完全排除。如果提高燒成溫度或是延長保溫時間，則會增加液相量，增加晶粒尺寸，甚至降低密度和強度。周玉等（1988年）認(rèn)為，這是由于燒成溫度升高后，使MgO在晶界上偏析，ZrO2晶體內(nèi)固溶的MgO量減少、晶粒長大、晶格畸變程度減少、變形與裂紋擴展阻力減少所致。2022/12/313.燒成方法與制度的影響采用通常燒成方法和60一般說來，當(dāng)陶瓷坯體燒成收縮接近中止時，晶粒開始長大。因此，要獲得高強度的燒結(jié)體，可采取的燒成措施為快速燒成和熱壓燒結(jié)。晶粒尺寸/μm2022/12/31一般說來，當(dāng)陶瓷坯體燒成收縮接近中止時，晶粒開始長大。因此，617.3

提高常溫強度，克服脆性的方法降低脆性、提高韌性、強度的方向：（1）減弱裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)。（2）提高抵抗裂紋擴展的能力，即提高材料的斷裂能。1.陶瓷材料的表面補強（1）熱處理（2）化學(xué)處理（3）施布涂層將燒后產(chǎn)品經(jīng)過物理或化學(xué)處理，使表面出現(xiàn)壓應(yīng)力，消除部分裂紋，以提高產(chǎn)品抵抗裂紋擴展的能力。2022/12/317.3提高常溫強度，克服脆性的方法降低脆性、提高韌性、622022/12/312022/12/30632022/12/312022/12/30642.陶瓷的復(fù)合增韌（1）金屬與陶瓷的復(fù)合：金屬陶瓷條件：a.金屬相與陶瓷相能均勻分散組成交錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。b.金屬對陶瓷的潤濕性良好。此外，金屬在高溫煅燒時易氧化，降低材料的高溫性能。（2）纖維與陶瓷的復(fù)合纖維類型：金屬纖維：難熔金屬絲（鎢絲、鉬絲等）非金屬纖維：碳、B的纖維陶瓷纖維：BN、SiC、Al2O3、ZrO2纖維等2022/12/312.陶瓷的復(fù)合增韌（1）金屬與陶瓷的復(fù)合：金屬陶瓷條件：a65纖維對陶瓷的補強、增韌取決與以下因素：b.纖維與基體的配比：二者承受的應(yīng)力和其體積分?jǐn)?shù)呈正比。c.纖維的排列方向：一維、二維、三維d.纖維與基體的結(jié)合力：適中e.纖維的尺寸：與基體中晶粒尺寸同一數(shù)量級，低于微裂紋出現(xiàn)的臨界半徑。a.纖維與基體的性質(zhì)：彈性模量、熱膨脹性的匹配及二者的化學(xué)相容性。2022/12/31纖維對陶瓷的補強、增韌取決與以下因素：b.纖維與基體的配比663.陶瓷的相變增韌主要是利用氧化鋯（ZrO2，Zirconia）相變時發(fā)生的體積變化增韌陶瓷。1160℃,收縮2300℃單斜相(monoclinic)四方相(tetragonal)立方相(Cubic)5.68g/cm3

膨脹6.1g/cm36.27g/cm3由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，伴隨著3～5%的體積膨脹和8%的剪切應(yīng)變。2022/12/313.陶瓷的相變增韌