高性能陶瓷材料

高性能陶瓷材料刘陈哲、王亚洲、李蠢、郭晨辉、谷琦琦、朱海旭

摘要：本文着重评述了高性能陶瓷的力学性能、性能检测方法、研究应用现状，并对纳米陶瓷及未来高性能陶瓷的设计、发展前景做了展望。

关键词：陶瓷，性能，检测方法，发展趋势

陶瓷材料力学性能

一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂

1、弹性

（1）弹性模量大

E值大，是金属材料的2倍以上。∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错

运动困难。

（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。

（3）气孔率↑，弹性模量↓

2、塑性变形

（1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。

（2）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。

（3）陶瓷的超塑性

是微晶超塑性。∵晶界滑动，晶界液相流动。

存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。

如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，在1250℃烧结后，3.5×10-2 S-1应变速率ε =400%。

利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。

超塑加工＋扩散焊接：新的复合加工方法。

3、断裂

以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。 缺陷的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂的概率

]

dv F m

v m

)'()(e xp 1)(0σσςσ

σ⎰⎢⎣⎡--=

F(ζ)—断裂概率；m—韦伯模数

ζ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632

ζ’、ζ—试样内部的应力及它们的最大值

若两种陶瓷材料的平均强度相同，在一定的断裂应力下，m值大的材料比m值小的材料发生断裂的几率小。

陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。

二、陶瓷材料强度和硬度

陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值

（1）弯曲强度

可采用三点弯曲、四点弯曲方法测出。

四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。

∴强度比三点弯曲的低。

（2）抗拉强度

测试时，夹持部位易断裂（可采用加橡胶垫）

∴常用弯曲强度代之，高20%~40%。

（3）抗压强度

比抗拉强度高得多，10倍左右。

（4）硬度高

HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。

三：陶瓷材料的断裂韧度

工程陶瓷的KIC比金属的低1~2个数量级。

测定方法单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。

∵KIC值受切口宽度的影响。金属材料：ζ↑、δ↓、KIC↓；

陶瓷材料：∵尖端塑性区很小。ζ↑、KIC↑。

四：陶瓷材料的疲劳强度

陶瓷不仅在循环载荷作用下存在机械疲劳，其含义也比金属要广（一是静载，随时间↑，承载能力↓；二是恒载，断裂对应于加载速率敏感性）。

∴研究陶瓷疲劳对扩大其应用具有重要意义。

一、疲劳类型（静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳）

（1）静态疲劳

静载下，随时间延长，材料承载能力下降所产生的断裂。对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。

“温度、应力、环境介质”

分成的四个区（图10-11）

孕育区

（低于应力强度因子门槛值）

低速区

da/dt随K↑而↑

中速区

da/dt仅与环境介质有关，与K无关。

高速区

da/dt随K↑而呈指数关系↑

（2）动态疲劳

类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速

率拉伸。

（3）循环疲劳

疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。

研究表明，循环载荷同样可对陶瓷材料造成损伤，这种损伤是由裂纹尖端的微裂纹、马氏体相变、蠕变、以及沿晶和界面滑动等因素所引起的。

（4）热疲劳（属低周疲劳）

金属的疲劳寿命通常用循环周次表示；

陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示。

五：疲劳特性评价

疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子之间的关系同样符合Paris公式：

da/dN=C(△K)n c、n—材料试验常数金属：n为2～4；陶瓷：一般n＞10。六：陶瓷材料的其他性能

1、耐磨性

(陶瓷是耐磨材料的一个发展方向)

其耐磨性也远高于金属，而且在高温、腐蚀环境下更显示出其独特的优越性。 最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮化硅陶瓷等。

（1）减摩性与耐磨性

（2）抗磨性

2、抗热震性（热冲击）

——材料承受温度骤变而不破坏的能力。

在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因。热震引起的瞬时断裂，即热振断裂。

（1） 抗热震断裂参数R

急剧加热和冷却

缓慢加热和冷却

均与热导率 α、热膨胀系数λ有关。 ζf 断裂强度（≈热震断裂的临界热应力，通过弯曲试验测定）。

（2）抗热震损伤

热冲击循环下，材料经开裂、裂纹扩展，终致材料强度降低而破坏——热振损伤。气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。抗热震损伤：多孔陶瓷优于致密性高的陶瓷。 反复加热冷却产生的弹性应变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力）。

提高抗热震断裂抗力：要求ζ 高，E 低，λ 大，α 小。

因为在热震断裂情况下， ζ低的材料裂纹易于扩展。

提高热震损伤抗力：要求E 高， ζ低，断裂表面能低的材料。在热震损伤情况下， ζ高的材料裂纹易于扩展。

反复的加热、冷却，裂纹扩展，强度急剧下降，机件局部有可能发生剥落或崩裂，这就是热震损伤过程。

陶瓷材料力学性能的测试方法

一：陶瓷材料的强度测试

脆性材料的强度测试可能成为派生的应力源而导致测试结果的误差。要求对各种试样几何形状和各种加载方式下的应力分布有一定了解，对一些引入误差的根源亦应有合理的估计，由于陶瓷显微结构的微不匀性，尚应考虑到基于宏观连续介质的线弹性力学解来处理陶瓷力学性能问题时，所存在的实际与理论之间的差别

二：抗张强度

1.夹持试样的卡头应力集中效应：抗张试样装置到测试系统中去，需要采用夹具卡f c E t R σα

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