鄭州大學(xué)陶瓷工藝原理第七章7

第7章陶瓷材料強(qiáng)度的控制陶瓷材料使用過程中所要求到達(dá)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(shí)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。11/15/20237.1陶瓷材料強(qiáng)度的特征Orowan提出，固體材料的理論強(qiáng)度σth

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

實(shí)驗(yàn)說明，陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其理論強(qiáng)度。?1.陶瓷材料的強(qiáng)度11/15/2023Griffith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)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)〔遠(yuǎn)小于原子間的結(jié)合力〕，裂紋擴(kuò)展連接而導(dǎo)致材料整體破壞。裂紋擴(kuò)展的動(dòng)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—材料的外表斷裂能，J/m2；c—裂紋長度的一半。裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力：11/15/20232.陶瓷材料中裂紋產(chǎn)生的原因〔1〕因動(dòng)力學(xué)條件不滿足，晶體生長存在著許多缺陷，如位錯(cuò)，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)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(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成外表裂紋?！?〕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?！?〕不規(guī)那么氣孔的存在，其作用相當(dāng)于裂紋。這與燒結(jié)程度、密度有關(guān)?！?〕材料外表的粗糙度會(huì)影響外表裂紋的大小變化。11/15/20237.2

影響常溫強(qiáng)度的因素(一)顯微結(jié)構(gòu)與常溫強(qiáng)度的關(guān)系1.氣孔對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響陶瓷強(qiáng)度總是隨氣孔率升高而下降。坯體越致密，氣孔愈少，那么強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。σ

＝σ0exp(-b

p)p－氣孔率,％；σ0－p＝0時(shí)的強(qiáng)度,MPa；b－常數(shù)。11/15/2023氣孔的大小、形狀及分布都會(huì)對(duì)陶瓷強(qiáng)度產(chǎn)生影響。原因：氣孔率<10%時(shí)，主要為閉口氣孔，尺寸小，呈圓形，阻止裂紋擴(kuò)展。氣孔率>10%時(shí)，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(qiáng)度下降。氣孔率<10%，強(qiáng)度根本不變；氣孔率>10%，強(qiáng)度下降。11/15/20232.晶相對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響主晶相不同及含量不同對(duì)強(qiáng)度有影響。普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，強(qiáng)度越高。晶相種類及含量對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響11/15/2023〔1〕晶粒尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響

多晶陶瓷強(qiáng)度σf與晶粒直徑d的關(guān)系符合半經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)常數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。局部研究結(jié)果顯示，α的取值為α＝1/8～1；當(dāng)d值小時(shí)，α的取值也??；當(dāng)d值大時(shí)，α的取值也大。因此，陶瓷強(qiáng)度對(duì)晶粒尺寸的依賴性很強(qiáng)。11/15/2023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，那么出現(xiàn)斷裂所需的負(fù)荷??；b.裂紋有一定長度時(shí)，尖端局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，尖端的曲率半徑愈小那么應(yīng)力愈集中，小的負(fù)荷即可使裂紋擴(kuò)展斷裂。11/15/2023晶粒尺寸增大對(duì)強(qiáng)度影響的原因：晶粒尺寸減小，為什么會(huì)使陶瓷材料的強(qiáng)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，比外表積增加，晶界面積增加，裂紋擴(kuò)展的阻力愈大，或者說外加破壞負(fù)荷衰減愈多，因此強(qiáng)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(qiáng)度。11/15/2023玻璃相含量多的三組分陶瓷中，晶粒大小也會(huì)影響其機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度下降。11/15/2023通過討論晶粒大小對(duì)強(qiáng)度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強(qiáng)度：①提高原料微粉的品質(zhì)，特別是對(duì)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，選擇最正確工藝條件，防止晶粒長大；③選擇適當(dāng)?shù)奶砑游镔|(zhì)和參加量，抑制晶粒異常長大，促進(jìn)致密化。11/15/2023〔2〕晶型和晶粒形貌對(duì)強(qiáng)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(shí)會(huì)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)，參加5%MgO為燒結(jié)促進(jìn)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。11/15/202311/15/2023〔3〕晶界對(duì)強(qiáng)度的影響由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力作用下擴(kuò)展的裂紋遇到晶界往往會(huì)終止。如晶界上有氣孔存在而出現(xiàn)應(yīng)力集中，那么裂紋會(huì)沿晶界延長。多晶材料，晶粒取向不同，各向異性，會(huì)在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力，降低強(qiáng)度。晶界中的雜質(zhì)、第二相晶粒對(duì)強(qiáng)度也有或好或壞的影響。11/15/20233.玻璃相對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響普通陶瓷：玻璃相是主體，其強(qiáng)度對(duì)陶瓷強(qiáng)度起主要作用；構(gòu)成玻璃相的組成的鍵強(qiáng)顯得較重要。玻璃相數(shù)量少，晶相多，那么陶瓷強(qiáng)度高。氧化物和非氧化物陶瓷：生產(chǎn)中參加添加劑，以促進(jìn)坯體燒結(jié)，但會(huì)生成少量的玻璃相，使陶瓷的強(qiáng)度下降很多。一般需要進(jìn)行熱處理，使玻璃相轉(zhuǎn)化為晶相。11/15/2023〔二〕工藝因素與常溫強(qiáng)度的關(guān)系高強(qiáng)度陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：密度要高，氣孔和裂紋要少，晶粒尺寸要適當(dāng)。11/15/2023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。11/15/20231.原料制備工藝的影響可提高其反響活性，增加外表缺陷、比外表積和反響能力，使燒結(jié)溫度降低并易于燒結(jié)，減少氣孔，從而有利于實(shí)現(xiàn)致密化。

11/15/2023〔1〕采用化學(xué)方法制備出超細(xì)、性能良好的粉料不同方法制得的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(jìn)入原料中，保證純度。11/15/2023(3)假設(shè)采用壓制法成型，那么對(duì)細(xì)粉料進(jìn)行造粒處理，使之適應(yīng)成型需要?！?〕原料配比時(shí)要選擇適宜的添加劑，這對(duì)氧化物和非氧化物陶瓷非常重要。添加劑的作用主要有：？選擇添加劑的原那么：〔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(jìn)形成固溶體；b.添加劑濃度和固溶體的極限要接近，以增強(qiáng)致密化效果；c.添加劑和主晶相金屬離子電價(jià)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。11/15/20232.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(duì)強(qiáng)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。11/15/20233.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(shí)，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(shí)間，那么會(huì)增加液相量，增加晶粒尺寸，甚至降低密度和強(qiáng)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(kuò)展阻力減少所致。11/15/2023一般說來，當(dāng)陶瓷坯體燒成收縮接近中止時(shí)，晶粒開始長大。因此，要獲得高強(qiáng)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/μm11/15/20237.3

提高常溫強(qiáng)度，克服脆性的方法降低脆性、提高韌性、強(qiáng)度的方向：〔1〕減弱裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)?！?〕提高抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，即提高材料的斷裂能。1.陶瓷材料的外表補(bǔ)強(qiáng)〔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，使外表出現(xiàn)壓應(yīng)力，消除局部裂紋，以提高產(chǎn)品抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。11/15/202311/15/202311/15/20232.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(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。b.金屬對(duì)陶瓷的潤濕性良好。此外，金屬在高溫煅燒時(shí)易氧化，降低材料的高溫性能?！?〕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11/15/2023纖維對(duì)陶瓷的補(bǔ)強(qiáng)、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(jí)，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。11/15/20233.陶瓷的相變?cè)鲰g主要是利用氧化鋯〔ZrO2，Zirconia〕相變時(shí)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。11/15/2023〔1〕應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰ga.ZrO2受周圍陶瓷基體的約束會(huì)抑制其相變，使相變溫度向低溫方向移動(dòng)。如果室溫下有未相變的t-ZrO2，受張應(yīng)力后，基體對(duì)t-ZrO2的束縛減弱，使之轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2。轉(zhuǎn)化時(shí)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(kuò)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。11/15/2023應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g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的差異源于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(shí)的臨界尺寸dc見下表:11/15/2023〔2〕微裂紋增韌Micro-crackingtoughening當(dāng)參加的t-ZrO2顆粒稍大〔d>dc〕，那么相變溫度在室溫以上。冷卻至室溫時(shí)，四方相已自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?。相變時(shí)的體積膨脹引起基體出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)受外力作用時(shí)，微裂紋會(huì)使主裂紋分叉或改變方向，吸收和消耗裂紋擴(kuò)展所需的能量，因而減緩或阻礙裂紋擴(kuò)展，到達(dá)增韌效果。但材料強(qiáng)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，那么微裂紋的保護(hù)作用減弱，韌性又會(huì)降低。獲得最正確增韌效果對(duì)t-ZrO2顆粒尺寸的要求：11/15/2023〔3〕裂紋分岔增韌，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(jī)理?；w中較大的ZrO2顆粒相變時(shí)產(chǎn)生大的應(yīng)力，使晶界減弱和別離。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(huì)增大斷裂外表積，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)