氧化锆陶瓷材料的抗热震性能分析

氧化锆陶瓷材料的抗热震性能分析

摘要：文章通过对氧化锆陶瓷材料的热膨胀性以及相变的特征进行分析，着重探讨有效利用氧化锆的相变提高氧化锆材料实际抗热震性能的具体方法，以及如何提高材料抗热震性的可行性办法。

关键词：氧化锆陶瓷材料抗热震性能

材料具有的热学性能以及力学性能决定了陶瓷材料当中热应力的大小，另外构件的几何形状以及环境的介质等也会影响陶瓷材料的热应力的大小。因此，抗热震性代表着陶瓷材料抵抗温度变化能力的大小，也肯定是它热学性能以及力学性能相对应各种受热条件时一个全面的反映。关于陶瓷材料在抗热震能力方面的研究开始于上个世纪五十年代，到目前形成了很多关于抗震性的相关评价理论，不过都在一定程度上有着片面性和局限性。

一、陶瓷材料的抗热震性具体理论分析

陶瓷材料热震破坏包括：在热冲击的循环直接作用下发生的开裂和剥落；在热冲击的作用下瞬间的断裂。基于此，有关脆性的陶瓷材料具体的抗热震性相关的评价理论也涵盖了两个观点。首先是基于热弹性的理论。其说的是材料原本的强度无法抵抗热震温差导致的热应力的时候，就造成了材料的“热震断裂”。通过这个理论，陶瓷材料需要同时具备热导率、高强度和低热膨胀系数、泊松比、杨氏弹性模量、黏度以及热辐射的系数，这样方能够具备较高的抗热震断裂能力。另外，想要提高陶瓷材料实际的抗热震能力，还可以通过对材料的热容以及密度进行适当的降低。

另一理论基于断裂力学的具体概念，也就是材料当中热弹性的应变能完全能够裂纹成核以及扩展而新生的表面需要的能量的时候，裂纹形成并且开始扩展，进而造成了材料热震的损伤。按照该理论，在抗热震损伤性能方面比较好的材料应当符合越高越好的弹性模量以及越低越好的强度。以此能够发现，以上要求和高抗热震断裂的能力具体的要求完全对立。另外，将陶瓷材料实际的断裂能提高以及对材料的实际断裂韧性进行改善，很明显有助于提高材料的抗热震的损伤能力。另外，存在一定量的微裂纹也对提高抗热震的损伤性能有很大的帮助，比如：在气孔率是10%到20%之间的非致密的陶瓷当中，热扩展裂纹的形成通常会遭受来自气孔的抵制，存在的气孔能够帮助钝化裂纹以及减小应力的集中。

作为氧化锆陶瓷材料，有着极为鲜明的常温力学的性能，熔点比较高、在化学稳定性以及热稳定性上都比较好。所以，其的使用经常处于高温的条件之下，因而其抗热震性的性能也是判断其性能的关键指标。氧化锆的许多性质都非常的特殊，比如：氧化锆能够以单料以及四方、立方这三种具体晶型共同存在，还有它特殊的相变特性，这么多特性都可以被我们所利用，用来提高其热膨胀的行为，加强其的抗热震方面的性能。

关于氧化锆具体的抗热震相关指标：材料一些热学性能、力学的性能等都会影响到陶瓷材料具有的抗热震性能，目前大部分科研人员对其热膨胀性以及相变的特性进行研究，以此使其具有的抗热震性得到提高。

二、陶瓷材料自身的热膨胀性

当材料发生受热或者冷却的时候，那么就会相应的产生膨胀或者收缩，于是材料的内部就会出现热应力。一般情况下，都是存在不同温度或者不同物相的热曲线。在纯单的斜相氧化锆热膨胀系数虽然很小，但是热膨胀有着明显的不同，并且存在着相变问题。热膨胀系数最大的是立方氧化锆，并且会随着温度的升高而增加。所以结构材料完全是立方氧化锆，那么抗热与抗震性就会很差。为此，通常时候只对氧化锆进行一部分稳定，通常情况下不同物相之间热膨胀失调，以及相同物相热膨胀出现不同时，材质本身内部就会产生热应力。热膨胀系数越是小，同一条件下产生热应力也越小。假如没有热膨胀也就是说本身不会产生热应力，如果外界热应力供应热应力很大的情况下，将造成材质本身的抗热性能与抗震性能遭到损坏。下表为：不同类型氧化沟锆热膨胀曲线作用

影响陶瓷材质最重要的环节就是热膨胀。根据多年经验总结出来的，我们可以通过先进的技术理念对热膨胀行为进行设计与调整。如图一，图二

如果材料当中晶相有可逆的多型转变进而出现较大体积变化的时候，就会产生较大的热应力。纯二氧化锆便是具备这样特性在陶瓷整个系统中的突出代表。二氧化锆晶型变化的温度大概是1000℃；加热温度达到1100℃的时候，其将会由单斜相变换成四方相，反过来也是这样。这两样多型变体在密度上差距比较大，所以在相变化的时候体积的变化达到了0.6%或是更大。因此出现了非常大的应力，而且发生了开裂。

三、陶瓷材料的具体相变特征

氧化锆的相变，ZrO2一共包含三种主要晶型分别为：单斜晶型，四方晶型以及立方晶型。三者之间的关系为：

氧化锆陶瓷材料当中非常典型的一种马氏体的相变是由二氧化锆中的正方相到单斜相的转换。其实现是依靠无扩散的剪切变形，所以被当做是马氏相变类型相关的一种固态相变，其有下列特征：

1.无热的相变。给定的温度之下，相变和时间没有关联。

2.热滞的现象。相变在一定的范围以内发生，单斜向变化成四方相是1170℃，然而四方相变化成单斜向温度却是850℃到1000℃之间，此相变大概有200℃左右的滞后。

3.相变的发生伴随有三到五个百分点的体积效应以及一定剪切形变。从t-二

氧化锆相变为m-二氧化锆体积发生膨胀，反过来则会发生收缩。

4.相变没有扩散的反应出现，因为相变的完成只需要一瞬间，比裂纹速度要快，如此一来能够利用相变有效的阻止裂纹发生扩展，进而使陶瓷材料具有的韧性有所提高，相变带来的体积效应能够进行热应力的缓解，提高材料实际的抗热震性。

5.颗粒的尺寸效应，处在一定条件下的颗粒在小于某一个临界的尺寸的时候，单斜相能够在室温条件下保存而不发生相变。

6.添加剂能够抑制住相变。往氧化锆内放入氧化镁及氧化钙等能够让氧化锆以单斜或者是立方的具体形式而存在。

7.相变受到应力状态的约束所影响。处在压应力的状态的时候，由t到m的相变便会受到一定的抑制，相反则有助于发生相变。

四、氧化锆陶瓷材料抗热震性能的改善

1.减少材料的热膨胀系数，提高材料的热导率

这么做的目的主要在于降低热震时发生的热应力，同时稳定剂的种类以及添加量与氧化锆陶瓷材料热膨胀系数大小有一定关系。

2.利用单斜相热膨胀的各向异性

虽然不用完全用单斜相氧化锆制造可以使用的陶瓷部件，但是，可以利用纯单斜相热膨胀不同异性来提升材质的韧性，改善材质抗热震能力。

3.利用相变改善氧化锆陶瓷材料的抗热震性

通过ZrO2相变特征，并且对ZrO2进行分析，并且控制及调整ZrO2相变，从宏观上来改善材质本身热膨胀行为。另一方面可以通过利用相变体积效应在材质内部造成适量的微细裂纹，改善材质的抗热震性。

五、总结

通过对氧化锆陶瓷材料在抗热震性能方面的研究，能够知道材料实际的抗震性和材料具有的物理特性有着紧密的联系，我们可以对其特点加以利用，利用对工艺进行优化和调整，有效的改善材料实际的抗热震性方面的能力。此外，还应当针对固有的提高材料抗热震性的方法加以改进和完善，研究出更多的先进工艺。参考文献[1] 邓雪萌，张宝清，林旭平.添加剂对氧化锆陶瓷抗热震性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2007（z1）.[2] 赵世柯，黄校先，施鹰，郭景坤.改善氧化锆陶瓷材料抗热震性的探讨[J].陶瓷学报，2000（1）.[3] 董艳玲，王为民.陶瓷材料抗热震性的研究进展[J].现代技术陶瓷，2004（1）.[4] 刘景林，李连洲.