陶瓷材料力学性能及测试方法

2020/11/14
27
影响陶瓷抗热震性的主要因素有： 热膨胀系数 众所周知，固体材料的热膨胀是由于原子热振
动而引起，晶体中的平衡间距由原子间的势能所决定，温度升高 则原子的振动加剧，原于间距的相应扩大就呈现出宏观的热膨胀。
热膨胀系数较低，抗热震性较好
2020/11/14
28
由表1-2可知，密堆积的离子键氧化物，如Al2O3等，具有 较高的热膨胀系数，且随温度升高而增大。大部分硅酸盐晶体，
2020/11/14
6
2020/11/14
7
影响弹性模量的因素：温度、材料的熔点和致密度等。 温度 由于原子间距以及结合力随温度的变化而变化，所以 弹性模量对温度变化很敏感。温度升高，原子间距离增大，弹 性模量降低。一般来说，热膨胀系数小的物质往往具有较高的 弹性模量。
2020/11/14
8
熔点 物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小，熔点
图1.2为各种材料熔点的对照图。可以看出，单质材料中，炭 素材202料0/11的/14熔点最高；陶瓷材料中，碳化物的熔点最高。 23
图1-2 各种材料的熔点
2020/11/14
24
摩尔热容 晶体材料的摩尔热容对结构不敏感，但是体积
热容却取决于气孔率。
热膨胀 绝大多数晶体材料的体积或长度随温度的升高而
与弹性模量成正比关系。在300K以下，弹性模量E与熔点Tm
之间满足如下关系：
E＝1000K Tm /Va
(1-2)
式中Va为原子体积或分子体积，K为体积弹性模量。
致密度 弹性模量随材料致密度的增加而迅速增加，满
足如下关系式：
E＝ Eo（1－f1P＋f2P2）
(1-3)
式中Eo为气孔率为0时的弹性模量；f1和f2为由气孔形状
陶瓷材料力学性能及测试方法
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）。
2020/11/14
2020/11/14
18
影响陶瓷材料强度的因素主要有：
气孔率 强度与气孔率的关系近似满足Ryskewitch经验公式：
源自文库
＝ o exp（－aP）
(1.5)
式中a为气孔率， o为气孔率为零时的强度，P为常数，其
值在4 ~ 7之间。由此可见，为了获得高强度，应制备接近理论
密度的无气孔材料。
2020/11/14
陶瓷材料的脆性是限制其相关特性发挥和实际应用的重要 因素，为此，人们一直在不断探寻各种方法来增加陶瓷材料的 断裂韧性，如：相变增韧，颗粒、晶须或纤维韧化、纳米结构 韧化以及通过仿生结构韧化等。具体可参考有关文献。
2020/11/14
22
1.2.2 结构陶瓷的热学性能和抗热震性 陶瓷材料的热学性质，如熔点、热容、导热率，热膨胀系数
如堇青石（MgO·2Al2O3·5SiO2）和锂霞石（Li2O·Al2O3·2SiO2）， 由于晶体中原子堆积较松，其热膨胀系数较低，抗热震性较好。
共价键晶体，如SiC等，虽然其晶体中原子紧密堆积，但
由于具有高的价键方向性和较大的键强度，晶格振动需要更大
的能量，因而其热膨胀系数较小。即共价晶体热膨胀系数比离
2020/11/14
10
近年来的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，可显示
超塑性：
晶粒细小(尺寸小于1um)；晶体是等轴晶；第二相弥散分布，
能抑制高温下基体晶粒的生长；晶粒之间存在液相或者玻璃相。
典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含
Al2O3的ZrO2粉体，成形后在1250oC左右烧结，可获得相对密度 为98％左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.5×10-2s-1应变速率
表1-2 一些材料的平均线膨胀系数
线膨胀系数(0-1000oC) /X10-6/℃-1 8.8 9.0 13.5 5.3
7.6
9.2
10.0
4.5 7.4 4.4 4.8 4.8 3.2 3.4 2.6
3
材料
AIN BN Si-B-C-N Y2O3 ZrO2（稳定化的） 熔融SiO2玻璃 钠-钙-硅酸盐玻璃 瓷器 稀土耐火材料 MgO·Al2O3 Al2O3·TiO2 锂霞石 锂辉石 堇青石 TiC金属陶瓷
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出
现明显降低。
2020/11/14
20
(4) 断裂韧性
断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，是本征属性，与裂
纹的大小、形状以及外力大小无关。陶瓷材料对裂纹的敏感性
很强，断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，常用线
弹性力学研究裂纹扩展和断裂的问题。下式用来评价材料的断
4950
2550
金刚石
Si3N4
CBN
AlN
1400(石墨化) 1900(分解) 3000(升华) 2450(分解)
2400
10000
1700
7000
1450
ZrC 3540 2600 MoSi2 2030 1180
2020/11/14
14
HB
2F
2020/11/14
DD
D2 Di2
15
2020/11/14
19
晶粒尺寸与形状、晶界相的性质与厚度 强度与晶粒尺寸
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。
2020/11/14
12
(2) 硬度 硬度是材料的重要力学性能之一，它是材料抵抗局部压力 而产生变形能力的表征。由于结合键存在差异，陶瓷与金属的 硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度(HB)，洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1为典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬 度的方法主要有金刚石压头加载压入法，测试内容主要为洛氏 硬度和维氏硬度（显微硬度）。
2020/11/14
13
表1 -1 典型结构陶瓷材料的熔点和硬度
材料 熔点/oC
Al2O3 2050
硬度(HV) 2000
材料
TiC
熔点/oC
3160
硬度(HV)
3200
MgO 2800
ZrO2 2667
BeO 2550
B4C 2450
SiC 2800(分解)
1220 WC 2720
1700
1520
陶瓷2材020/料11/的14 抗拉强度通常不到抗压强度的1/10。
4
其弹性变形具有如下特征:
弹性模量大 这是由共价键和键合结构所决定的。共价键 具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的 阻力。离子键晶体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原子 密排面与原子密排方向的限制，还受静电作用力的限制，其实 际可动滑移系较少。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结 构较复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材料中位错运动 很困难。
通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率
降2低020，/11而/14低热导率的材料则具有相反的变化特征。
25
材料 Al2O3 BeO MgO 莫来石
尖晶石
ThO2 UO2 B4C TiC SiC’ SiC’’ SiC’’’ Si3N4’ Si3N4’’ 2S02i30N/41’’1’ /14 -Sialon
增大的现象称为热膨胀。陶瓷材料的线膨胀系数一般都不大，
约为10-5 ~ 10-6/K。
热膨胀系数实际并不是一个恒定的值，而是随温度变化的。
一般陶瓷材料的线膨胀系数常指20 ~ 1000 ℃的平均值。
热导率 不同陶瓷材料在热导率性能上可以有很大的差别，
有些材料是极为优良的绝热材料，有些又是热的良导体。
下，最大应变量可达400％。陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶
界液相流动有关，和金属一样．陶瓷材料的超塑性流动也是扩
2020/11/14
11
散控制过程。
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。
2
陶瓷的力学性能
(1) 弹性以及弹性形变 金属材料在室温静拉伸载荷下，断裂前一般都要经过
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、延伸率和断面收缩都几乎为零。两类材料的应
力－应变曲线对比如下图所示。
2020/11/14
陶瓷
+
a
b
金属
3
陶瓷材料的弹性变形服从虎克定律：
＝ E
（1-1）
E为弹性模量，是材料原子间结合力的反映。由上可知，陶
瓷材料的弹性模量比金属的大很多。
陶瓷材料形变的另一特点是：压缩时的弹性模量大大高于拉
伸时的弹性模量，即E压>>E拉。 陶瓷材料压缩时还可以产生少量的压缩塑性变形。金属材料
，即使是很脆的铸铁，其抗拉强度也有抗压强度的1/3～1/4。但
裂韧性：
KIC＝Y f a1/2
(1-7)
式中KIC为断裂韧性； f为临界应力，即材料的断裂强度；
Y为裂纹的几何形状因子；a为1/2裂纹长度。陶瓷和金属材料的
拉伸和弯曲强度并不存在很大差异，但是反映材料裂纹扩展抗
力的20断20/1裂1/1韧4 性值却有很大差异，一般低1~2个数量级。
21
陶瓷材料断裂韧性的测试方法主要有单边开口梁法和压痕 法，具体操作可以参考相关测试技术。
ZrSiO4
线膨胀系数(0-1000oC) /X10-6/℃-1 4.5 2.7 0.5 9.3
10.8
0.5
9.0
6.0 5.5 9.0 2.5 -6.4 1.0 2.5 9.0 26 4.5
抗热震性 陶瓷材料热应力大小取决于材料的热学性能和 力学性能，并且还受构件几何形状和环境介质的影响。所以作 为陶瓷材料抵抗温度变化能力大小标志的抗热震性，也必将是 其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现。陶瓷 材料抗热震性的评价理论主要有：临界应力断裂理论、热震损 伤理论和裂纹形成与扩展理论等，这些理论不同程度地存在着 局限性。
决定202的0/11常/14数，P为气孔率。
9
陶瓷材料的塑性变形 塑性变形是指外应力去除后尚保持着的部分变形。材料在断 裂之前所能容忍的形变量越大，则塑性变形越大，许多陶瓷到了 高温都表现出不同程度的塑性。但在室温下，绝大多数陶瓷材料 均不发生塑性变形。单晶MgO陶瓷因以离子键为主，在室温下 可经受高度弯曲而不断裂，这是极个别的特例。
量。
2020/11/14
17
上式是假定理想晶体作完全弹性体脆性断裂时的计算值。 实际陶瓷材料的强度至少比理论强度小两个数量级。
如Al2O3的th为46 GPa，几乎无缺陷的Al2O3晶须的强度约 为14 GPa，表面精密抛光的Al2O3细棒的强度约为7 GPa，而块 状多晶Al2O3材料的强度只有0.1-1 GPa。理论计算和实际数值 之所以有如此大的差距，主要是由于实际材料内存在微小裂纹 所致。陶瓷材料的强度主要包括弯曲强度，拉伸强度、压缩强 度等。
16
(3) 强度
强度与弹性模量和硬度一样，是材料的本征物理参数。陶
瓷材料的化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运
动，因此很难产生塑性变型，室温下的强度测定只能得到一个
断裂强度(fracture strength f)。固体材料断裂强度的理论值为：
th ＝ 2E ro/ π
(1.4)
式中E为弹性模量，ro为原子间结合力最大时原子间距增加
等，不仅对陶瓷的制备具有重要意义，还直接影响它们在工程 中的应用。
熔点 与金属材料相比，耐高温是陶瓷材料优异的特性之一 。材料的耐热性一般用高温强度、抗氧化性以及耐烧蚀性等因 子来判断，但要成为耐热材料，首先熔点必须高。熔点是维持 晶体结构的原子间结合力强弱的参数，结合力越强，原子的热 震动越稳定，越能将晶体结构维持到更高温度，熔点就越高。
2020/11/14
5
陶瓷材料的弹性模量大小不仅与结合键有关，还与其组 成相的种类、分布比例及气孔率有关。温度上升陶瓷材料的弹 性模量降低，熔点增加陶瓷材料的弹性模量增加，而当气孔率 较小时。弹性模量又随气孔率增加呈线性降低。
通常陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量，由图12 -可见陶瓷在压缩时，其曲线斜率比拉伸时的大。此与陶 瓷材料复杂的显微结构和不均匀性有关。