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1、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）。,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
2、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。,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1/31/4。但陶瓷材料的抗拉强度通常不到抗压强度的1/10。,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
3、，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。,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1-2 -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
4、均匀性有关。,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。,熔点 物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小，熔点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： E1000K 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（1f1Pf2P2） (1-3) 式中Eo为气孔率为0时的弹性模量；f1和
5、f2为由气孔形状决定的常数，P为气孔率。,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。,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
6、烧结，可获得相对密度为98左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.510-2s-1应变速率下，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) 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
7、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）。,表1-1 典型结构陶瓷材点和硬度,表1 -1 典型结构陶瓷材料的熔点和硬度,(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/ (1.4) 式中E
8、为弹性模量，ro为原子间结合力最大时原子间距增加量。,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。,气孔率 强度与气孔率的关系近似满足Ryskewitch经验公式： o exp（aP） (1.5) 式中a为气孔率， o为气孔率
9、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。,影响陶瓷材料强度的因素主要有：,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。当温度T0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出现明显降低。,(4) 断裂韧性 断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，
10、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裂韧性： KICY 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断裂韧性值却有很大差异，一般低12个数量级。,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。 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
11、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。,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。 图1.2为各种材料熔点的对照图。
12、可以看出，单质材料中，炭素材料的熔点最高；陶瓷材料中，碳化物的熔点最高。,图1-2 各种材料的熔点,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。 通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率降低，而低热导率的材料则具有相反
13、的变化特征。,表1-2 一些材料的平均线膨胀系数,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。,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
14、震性较好,表1-2 一些材料的平均线膨胀系数,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，如堇青石（MgO2Al2O35SiO2）和锂霞石（Li2OAl2O32SiO2），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子晶体低。 为了改善陶瓷材料的抗热震性，应选择热膨胀系数较小的组分。,热导率 抗热震性好的陶瓷材料，一般具有较高的热导率。由于热在陶瓷中的传
15、导主要依靠晶格振动，因而硬度高的SiC陶瓷由于晶格振动速度大，其热导率较高。MgO、Al2O3和BeO等纯氧化物陶瓷的热导率比结构复杂的硅酸盐要高。 弹性模量 热应力是弹性模量的增值函数，陶瓷材料的弹性模量比较高，所产生的热应力也较高。一般弹性模量随原子价的增多和原子半径的减小而提高，因此选择适当的化学组分是控制陶瓷材料弹性模量的重要途径之一。 前面讨论陶瓷材料的弹性模量，f 随气孔率的增大而减小，因此为了提高陶瓷的抗热震性，应增大气孔率，降低弹性模量。,断裂能 断裂表面能是决定材料强度和断裂韧性的重要因素，无论是抗热震断裂还是抗热震损伤，均是断裂能的增值函数。因此，凡是能提高材料断裂能的组分和显微结构均能提高陶瓷材料的抗热震性。,l.2.3 陶瓷材料的断裂过程 陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸有等效作用。缺陷的存在是概率性的。 当内部缺陷成为断裂原因时，随试样体积增加，缺陷存在的概率增加，材料强度下降； 表面缺陷成为断裂源时，随表面积的增加，缺陷存在概率也增加，材料强度也下降。,陶瓷材料断裂概率可以最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑： 可以认为同一组材料，韦伯模数是固定值。陶瓷材料在考虑其平均强度时，用韦伯模数 m 度量其强度均匀性。若两种陶瓷材料平均强度相同，则在
