陶瓷热震性及增韧21页PPT

先进陶瓷材料培训课件：结构陶瓷的力学性能、热学性能、抗热震性、陶瓷材料的断裂过程

的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
(1-6)
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从
上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害，而
晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响则较为复杂。
温度陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多。
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出
高性能结构陶瓷是指具有高强度、高韧性、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先进的结构陶瓷，已逐步成为航天航空、新能源、电子信息、汽
车、冶金、化工等工业技术领域不可缺少的关键材料。
根据材料的化学组成，高性能结构陶瓷又可分为: 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）及其他新型结构陶瓷（如Cf/SiC复合材料）。
1.2 高性能陶瓷的基本特性
陶瓷材料的特性主要由其化学键、晶体结构以及晶体缺陷等决定。从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子键、共价键或离子–共价混合键。这些化学键不仅结合强度高，而且还具有方向性。
晶体缺陷（特别是线缺陷和位错）可以在晶体中运动，位错沿最密排面、最密排方向运动所需的临界切应力很小。这种位错的大量运动，使晶面产生明显的滑移现象，并产生宏观塑性变形。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。

陶瓷材料的增韧机理

陶瓷材料的增韧机理引言:现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、而腐蚀及相对密度轻等许多优良的性能。

但它同时也具有致命的弱点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。

因此,陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问题。

陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面需要吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就是陶瓷脆性的本质原因。

人们经过多年努力,已探索出若干韧化陶瓷的途径,包括纤维增韧、晶须增韧、相变增韧、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。

这些增韧方法的实施,使陶瓷材料的韧性得到了较大的提高,使陶瓷材料在高温结构材料领域显示出强劲的竞争潜力。

增韧原理：1.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。

任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。

对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。

为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。

纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化,由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。

纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹。

1.2 晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[8]。

陶瓷晶须目前常用的有SiC 晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。

基体常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。

采用30%(体积分数)B2SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa#m1/2，比纯莫来石提高100%以上。

王双喜等[10]研究发现,在2%(摩尔分数)Y2O32超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,可以细化2Y2ZrO2材料的晶粒,并且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。

第二章 3 陶瓷材料的结构增韧讲诉

陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发。研究发现，贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，如图2.1所示，其中碳酸钙约占体积的95%，有机物只占5%，但这5%的有机物的存在却引起了碳酸钙力学性能的巨大变化。众所周知，纯粹的碳酸钙很脆，而珍珠层的强韧性却很高，其断裂韧性比碳酸钙高出3000倍以上。
近些年来，人们从天然生物的研究中达到启示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿生结构设计的思想，通过“简单组成、复杂结构”的精细组合，来实现材料的高韧性、抗破坏及使用可靠性特性。陶瓷材料的仿生结构设计，从很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。
(2) 流延法将制备好的夹层材料料浆通过底部有狭缝的料斗连续地涂敷于基体带上，调节刮刀与基带之间的间隙、料浆的粘度、浆液的压差及基体带的运动速度等参数可以控制流延厚度。流延法制备的夹层厚度均匀性比较好。
(3) 浸涂法将基体素坯层在夹层材料料浆中浸渍后烘干，通过浸渍时间和次数控制夹层厚度。若夹层材料为金属，可将烧结后的陶瓷薄层叠放后，浸入熔融金属液中凝固而直接得到层状材料。
形。 2) 干粉分层敷放压制成型基体层和夹层材料均为干粉，依次敷放在模具中进行压制成
型。此种方法层间结合较好。 3) 基片涂覆夹层材料浆液后层压成型
基体为预制片，夹层材料为料浆，涂覆后叠放压制成型。夹层材料料浆在基体层上的施加方法主要有：
(1) 喷涂法将含有分散剂、悬浮剂等成分的夹层材料悬浮液喷在基体素坯薄片上再干燥，厚度由喷涂次数来控制。

陶瓷材料介绍PPT(完整版)

优点： 1、最先进的隔热，抗紫外技术 2、最清晰的视野，最安全的保障 3、真正实现信号零干扰 4、绝不氧化，永不褪色 5、环保健康，低碳生活 6、经典美观，超长耐用
陶瓷发动机
陶瓷，尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷具有高温强度、耐蚀性和耐磨性，用它们来制造发动机已成为当前世界各国奋力追求的目标。
优点: 1.可以大大提高效率。 2.降低了能源消耗，而且减少了环境污染。 3.陶瓷的热传导性比金属低，节省能源。
2、最清晰的视野，最安全的保障
特点
2、最清晰的视野，最安全的保障
压电陶瓷陶瓷的热传导性比金属低，节省能源。
陶瓷的热传导性比金属低，节省能源。
具有压电效应，能够将
用于制造换能器、声呐、蜂鸣器、电脑键盘
机械能和电能互相转换
不足：阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。
降低了能源消耗，而且减少了环境污染。
1、最先进的隔热，抗紫外技术
5、环保健康，低碳生活
导电陶瓷冶金、化工、石油、机械制造等
1、最先进的隔热，抗紫外技术
能够导电
3、真正实现信号零干扰
可以制作大容量的电容器
用于制造换能器、声呐、蜂鸣器、电脑键盘
电子仪器自动化领域
磁性陶瓷
具有磁性
多用于半导体材料
陶瓷材料在汽车方面的应用
纳米陶瓷材料用于汽车车膜
陶瓷内饰法拉利中国限量版艺术典藏跑车
用于制造换能器、声呐、蜂鸣器、电脑键盘 2、最清晰的视野，最安全的保障
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希望大家都有一个美好的前程！
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陶瓷材料介绍
高硬度、高熔点、耐磨损、耐腐蚀性
按用途分类
工程陶瓷

【大学课件】陶瓷材料的力学性能PPT

系.
12
3 弹性模量与材料致密度的关系
陶瓷材料的致密度对弹性模量影响很大，弹性模量E与气孔率p之间满足下面关系式
E E0 (1 f1 p f2 p2 )（11－2）
式中，E0为气孔率为0时的弹性模量，f1及f2 为由气孔形状决定的常数。Mackenzie求出当气孔A论l为2计O球算3陶形的瓷时比的，较弹f。1性＝模1.量9，随f2气＝孔0.9率。的图变13化－及4给某出些理
➢ 11.1 陶瓷材料的弹性性能
➢ 11.2 陶瓷材料的强度及其影响因素
➢ 11.3 陶瓷材料的断裂韧性与热抗震性
.
1
陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键，键合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小，因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性及耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。
区σf随温度升高变化不大；在中间温度B区，由于断裂前产生塑性变形。因而强度对既存在缺陷的敏感性降
低，断裂受塑性变形控制，σf随温度的上升而有明显的降低。此时的断裂应力受位错塞积机制控制，即σf ＝σ0＋k d－1/2；
.
40
当温度进一步升高时（C区）。二维滑移系开动，位错塞积群中的一部分位错产生的交叉滑移随温度的升高而变得活跃，由此而产生的对位错塞积群前端应力的松弛作用就越发明显。所以在此区域内，断裂应力有随温度的升高而上升的趋势。
成最好为均匀的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而
不易引起应力集中，从而使强度得到充分发挥。
.
37
综上所述，高强度单相多晶陶瓷的显微组织应符合如下要求：
①晶粒尺寸小，晶体缺陷少； ②晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处引起应力集中； ③晶界相含量适当，并尽量减少脆性玻璃相含量，应能阻止晶内裂纹过界扩展，并能松弛裂纹尖端应力集中； ④减小气孔率，使其尽量接近理论密度。

结构陶瓷的增强与增韧

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A
(a) (b)
增韧
裂纹偏折和弯曲增韧
裂纹弯曲裂纹端与细分散第二相粒子间的相互作用，弥散分布的第二相有钉扎裂纹端的作用，使裂纹前端在两粒子间向外突出弯曲。裂纹前端形状的改变、长度的增加以及新裂纹表面的形成都消耗了能量。
弥散颗粒含量大、平均间距小且颗粒半径较大时，微裂纹弯曲增韧作用较大。
增韧
微裂纹增韧
微裂纹增韧（microcrack toughening）是指因热膨胀失配或相变诱发出显微裂纹，这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开而分散和吸收能量，使主裂纹扩展阻力增大，从而使断裂韧性提高。式中E1为主裂纹尖端含有微裂纹材料的弹性模量，fs为显微裂纹密度，W为过程区宽度的一半，为显微裂纹引起的膨胀应变。
增韧
C
相变增韧的贡献
相变增韧
K IC
2 REVi ( G U sef 0 2 ( K IC ) 2 1
)
1/ 2
0 K IC 为无相变基体材料的断裂韧性， R 为相变区宽度， E 为弹性模量， C G 为化学驱动力，为波松比， Vi 为可转变t相的体积分数。 U sef 为残留相应变能。
特性
金属材料在室温静拉伸载荷下，断裂前般都要经过弹性变形和塑性变形两一般都要经过弹性变形和塑性变形两个阶段，而陶瓷材料一般都不出现塑性变形阶段，极微小应变的弹性变形后立即出现脆性断裂，伸长率和面缩率都几乎为零。
金属材料和陶瓷材料应力-应变曲线比较
特性
金属的断裂韧度范围为10～50 MPa·m1/2，而大多数单质陶瓷和玻璃仅有质陶瓷和玻璃仅有0 5.～6 MPa·m1/2，远低于金属。虽然经过不断的努力，复合陶瓷也只达到10～12 MPa·m1/2的水平。事实证明，陶瓷低的KIC已成为阻碍其应用和发展成为阻碍其应用和发展的最重要的问题。

《陶瓷材料增韧》课件

详细描述
晶须增韧的原理是利用晶须的高强度和韧性，在陶瓷材料受到外力作用时，晶须能够阻碍裂纹扩展，吸收能量，从而提高陶瓷材料的韧性。
相可相变的第二相，利用其相变过程中的体积效应和能量吸收机制，达到增韧效果。
详细描述
相变增韧的原理是利用第二相在相变过程中的体积效应和能量吸收机制，在受到外力作用时，第二相发生相变，产生微裂纹，吸收能量，从而降低裂纹扩展的驱动力，提高陶瓷材料的韧性。
04
新兴陶瓷增韧技术
纳米复合增韧
总结词
通过在陶瓷基体中引入纳米尺度的第二相粒子，实现材料韧性的提升。
详细描述
纳米复合增韧技术利用纳米尺度的第二相粒子在陶瓷基体中产生微裂纹的分散作用，吸收裂纹扩展的能量，从而延缓或阻止裂纹的扩展，提高陶瓷材料的韧性。
自增韧技术
总结词
通过陶瓷材料自身的结构设计，实现材料韧性的提升。
详细描述
自增韧技术通过改变陶瓷材料的内部结构，如晶粒形状、晶界设计等，实现材料韧性的提升。这种技术不依赖于添加其他物质，而是通过优化材料自身的结构来提高韧性。
其他新兴陶瓷增韧技术
总结词
除上述两种技术外，还有一些新兴的陶瓷增韧技术正在发展。
详细描述
随着科技的不断发展，新的陶瓷增韧技术也不断涌现。这些技术可能涉及新的材料体系、制备工艺或增韧机制，具有更高的增韧效果和更广泛的适用范围。这些新兴技术为陶瓷材料的进一步发展提供了更多可能性。
颗粒增韧
总结词
颗粒增韧是通过在陶瓷基体中加入韧性颗粒，利用其与基体的界面脱粘和拔出机制吸收能量，达到增韧效果。
详细描述
颗粒增韧的原理是利用韧性颗粒与基体的界面脱粘和拔出机制，在受到外力作用时，韧性颗粒会拔出基体，吸收能量，从而降低裂纹扩展的驱动力，提高陶瓷材料的韧性。

陶瓷材料的强化和增韧

二、材料的强化
（2）细晶强化晶界强化现象
左图为仅由两个晶粒构成的试样，在经过拉伸变形后会出现明显的“竹节”现象，即试样在远离夹头和晶粒中部出现明显的颈缩，而在晶界附近则难以变形。
由于晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处，原子排列紊乱；
晶界处的杂质原子较多，增大了晶格畸变；因而位错在晶界附近的滑移阻力大，故难以发生变形。
三.陶瓷材料的增韧
最原始的增韧方法—层状增韧
一枝易折弯,几枝竹断节难
层状结构复合陶瓷模型和独石结构陶瓷模型的载荷--位移曲线
三.陶瓷材料的增韧
思考：陶瓷断裂的主要原因？
陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何阻止
裂纹扩展呢？
① 分散裂纹尖端应力； ② 消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒； ③ 转换裂纹扩展的能量。
金属强化方法

形变硬化合金强化细晶强化化学强化沉淀强化。。。
二、材料的强化
（1）形变硬化金属材料大量形变以后强度会提高。
举例1：高强度冷拔钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制品，抗拉强度可以达到4000MPa, 这就是用强烈冷变形的方法取得的。举例2：下图为冷变形对工业纯铜性能的影响，随变形量增大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。
（3）固溶强化应力固溶体纯金属
合金的应变强化能力比纯金属要高，Why?
应变
位错机理：融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
二、材料的强化
（3）固溶强化
① 因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上。 ② 由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能； ③ 电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极

陶瓷材料的力学性能

二、陶瓷材料疲劳特性评价
• 陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。通常陶瓷材料在交变载荷作用下，随着△K值增大开始产生疲劳裂纹扩展，随后产生应力腐蚀裂纹扩展，因此需要考虑疲劳和应力腐蚀对裂纹扩展的叠加效应。
第七节、陶瓷材料的抗热震性
• 热震破坏分为两种：由热震引起的瞬时断裂，称为热震断裂；在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展导致材料强度降低，最终整体破坏，称为热震损伤。陶瓷材料的抗热震性事其力学性能和热学性能的综合表现，不仅受几何因素、破坏介质的影响，同时也取决于材料的强度和断裂韧度。
材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和无塑性等特性二、陶瓷材料的显微结构
其显微结构包括相及相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、杂志缺陷及晶界等。陶瓷材料有晶相、玻璃相和气相组成。它们分别可以起到决定其物理化学性能黏结晶相填充气体以及降低致密度
等作用
三.通常，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量
1、改善陶瓷结构晶粒形状也影响陶瓷韧性。
2、相变增韧
这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变成单斜相来实现。 ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生如下转变：
3、裂纹增韧
• 陶瓷陶瓷材料中的微裂纹是相变体积膨胀是产生的；或者是由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀性能不同产生的；还可能好似材料中原本已经存在的。
第三节、陶瓷材料的强度
一、抗弯强度
弯曲试验室评定工程陶瓷材料强度的主要试验方法，可以采用三点弯曲或
者四点弯曲试验方法。
二、抗弯强度
• 设计陶瓷零件时常用其拉伸强度值作为判据。为了保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验，可以在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状式样，可防止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形减少附加弯矩。

陶瓷材料ppt

它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。另TZN， BN、AI问筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚刚出现C3N4，可望其性能超过Si3O4 。
硼化物陶瓷的应用并不很广泛，主要是作为深加剂或第二相加入其它陶瓷基体中，以达到改善性能的目的。常用的有 Ti，Zr等。
陶瓷的分类—按性能与用途分类
陶瓷材料的特点
高硬度
高焰点
高化学稳定性
决定了它具有良好的耐蚀性
决定了它具有优异的耐磨性
决定了它具有杰出的耐热性
陶瓷的性能
特性
力学特性
热特性
电特性
化学特性
陶瓷的性能
1.力学特性：陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。 2.热特性：陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 3.电特性：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。
4.化学特性：陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。
5.陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、 Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。

陶瓷的性能PPT课件

划痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及矿物材料硬度测试。它只表示硬度由小到大的顺序，不代表硬度的程度，后面的矿物可以划破前面的矿物表面。
一般莫氏硬度分为10级，后来因为有一些工人合成的硬度较大的材料出现，又将莫氏硬度分为15级以便比较，表3-3莫氏硬度两种分级的顺序。
.
3
表3-3
莫氏硬度顺序
顺序材料 1 滑石
Ⅰ. 由于晶粒取向不同，位错运动会受到晶界的
障碍，而在晶界产生位错塞积；
Ⅱ. 材料中的杂质原子引起应力集中而成为位错
运动的障碍。
Ⅲ. 热缺陷，交叉（指位错组合、位错线与位错
或位错线与其它缺陷相互交叉）都能使位错运动受到
阻碍。
.
11
当位错运动受到各种障碍时，就会在障碍前塞积起来，导致微裂纹形成。
图2-2-1就是位错形成微裂纹示意图．
化学反应愈烈，裂纹扩展速度也愈快。
应力腐蚀理论的局限性：这一理论能解释许多实
验数据，但有人在真空中实验，也发现了疲劳现象，
说明单纯用应力腐蚀来说明疲劳现象是不够的。
.
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２．自由表面能降低环境中的表面活性物质吸附在裂纹表面上使裂纹表面的自由表面能降低，这
就降低了断裂表面能。自由表面能降低的局限性：自由表面能仅为断裂表面能的一小部分，即使像
硅酸盐玻璃这样的脆性材料，自由表面能也大约只有断裂表面能的30%，所以只从自由表面能的降低来说明疲劳现象也是不够满意的。
.
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３．能量分布状态变化裂纹附近由于应力集中，晶格结点能量分布状态发生变化，这些地方的
原子处于高能量状态，这就加速了空位运动和原子扩散传质。同时，环境影响断裂表面能，从而影响空位的运动和原子传质。