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1、升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响摘要本课题研究的重点则是不同热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。主要研究结论如下：（1）对于纯Al2O3，在600 下分别热震10次，20次，30次，40次，50次所得到的抗热震性指数均在23-30之间，且变化很小；在200-600 下逐次热震所得抗热震性指数均在22-30之间，变化同样很小。从中可以看出热震制度对纯Al2O3热震性指数的影响很小；（2）对于7 wt% SiC/Al2O3，在600 下所得到的抗热震性指数均为35-46之间，在200-600 下逐次热震的抗热震性指数均在39-43之间，变化很小。从中可以看出热震制度对7 wt% SiC/
2、Al2O3抗热震性指数的影响很小；（3）SiC的添加能够改善陶瓷材料的抗热震性。关键词：Al2O3 SiC 热震制度 抗热震性指数Effect of temperature on thermal shock resistance of ceramic materials indexABSTRACTThe focus of this research is the effect of different heat shock system for thermal shock resistance of ceramic materials index. The main conclusions a
3、re as follows: (1) For the pure Al2O3, the thermal shock resistance index, after respectively 10 times, 20 times, 30 times, 40 times, 50 times of the thermal shock at 600 , was between 23-30, and the fluctuation is very small; after successive thermal shock at 200-600 the thermal shock resistance in
4、dex was between 22-30and the fluctuation is very small, too. It can be seen from the results that the effect of thermal shock system on thermal shock resistance index of pure Al2O3 is very small; (2) For 7 wt% SiC/Al2O3, the index of thermal shock resistance at 600 is 35-46 and the index of thermal
5、shock resistance of successive thermal shock at 200-600 is 39-43, changing smoothly. It can be seen from the results that the effect of thermal shock system on thermal shock resistance index of 7 wt% SiC/Al2O3 is very small; (3) The addition of SiC enhance the thermal shock resistance of ceramic mat
6、erial.目录Key words: Al2O3； SiC； thermal shock system； thermal shock resistance index目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 引言11.2 陶瓷材料的抗热震评价理论11.2.1抗热震断裂理论21.2.2 抗热震损伤理论21.2.3 断裂开始和裂纹扩展的统一理论31.3 陶瓷材料的抗热震性41.3.1 抗热震性的含义41.3.2 影响陶瓷抗热震性的因素41.3.3 抗热震性评价手段101.3.4 提高陶瓷材料抗热震性的途径121.4 抗热震评价方法的研究进展121.5 陶瓷材料抗热震性能评价标准131.
7、5.1 中国标准131.5.2 美国标准141.5.3 欧洲标准141.7 课题的引入14第二章 实验及表征方法152.1 实验原料152.2 实验设备和仪器152.3 试样制备162.4 实验方法及表征172.4.1 体积密度及显气孔率172.4.2 抗弯曲强度172.4.3 抗热震性能测试182.4.4 XRD物相分析192.4.5 扫描电镜（SEM）观察192.5 本章小结19第三章 实验结果与讨论203.1 不同热震次数及热震制度对纯Al2O3抗热震性的影响203.1.1 热震次数对纯Al2O3残余强度的影响213.1.2升降温制度对纯Al2O3抗热震性指数的影响213.2 不同热震次
8、数及热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性的影响223.2.1 热震次数对7wt%SiC/Al2O3残余强度的影响223.2.2 升降温热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性指数的影响233.3 SiC的加入对两种热震制度下陶瓷材料抗热震性的影响243.5 微观表征25第四章 结论与展望264.1 结论264.2 展望26参考文献27致谢30第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温和化学性质稳定1等优点，有着很大的应用空间。但陶瓷材料主要是由离子键、共价键，或者它们的混合键组成，其最明显的弱点是脆性较大，承受温度的急剧变化而不致破坏的能力较差，即抗热震
9、性能较差。陶瓷材料不仅脆性较大，而且导热性能差、弹性模量大，因温度起伏所引起的应力梯度大，容易导致材料的失效或破坏。陶瓷材料在加工或使用过程中，常常受到环境温度变化的热冲击，因此抗热震性能是陶瓷材料的一个重要性能，它成为陶瓷众多优异性能能否得到充分发挥的制约因素，也是决定陶瓷材料可靠性和使用寿命的关键因素之一。力学性能和热学性能是影响材料抗热震性能的主要决定因素，同时构件的几何形状、尺寸、环境介质以及受热方式等诸多因素与抗热震性能有关。抗热震性能是材料对热冲击抗力的综合反映2。陶瓷材料对表面裂纹或缺陷尤为敏感，在热震环境下材料容易发生不可预见的破坏。由于影响陶瓷抗热震性能的因素比较复杂，虽然对
10、其抗热震性有一定的理论解释，但是尚不完善。本论文在前人研究的单一热震制度下的抗热震性指数的成果下，尝试研究不同的热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。1.2 陶瓷材料的抗热震评价理论陶瓷材料抗热震性能的研究从本世纪五十年代开始发展至今3, 已初步形成脆性陶瓷抗热震性评价理论4的框架。其中有的以弹性力学为基础，把热应力和材料强度之间的平衡条件5作为热震破坏判据；有的则以断裂力学为依据, 将热弹性应变能和材料断裂能之间的平衡条件作为热震破坏判据。它们分别对应于陶瓷的两种破坏形式，即热冲击断裂和热震损伤。前者的代表理论是Kingery6 在1956年首次提出的“临界应力断裂理论”, 后者则以Has
11、selman7的“热震损伤理论”和“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”最为人们所接受, 由于评价理论的不同产生了相应不同的理论评价方法和评价因子8下面分别予以说明。1.2.1抗热震断裂理论抗热震断裂理论是从热弹性力学9的观点出发，以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。也就是说材料的固有强度不足以抵抗热震温差引起的热应力而产生的材料瞬时断裂。Kingery基于热弹性理论，以热应力和材料的固有强度之间的平衡条件作为判断热震断裂的依据，即： (1-1)当温度急剧变化引起的热应力超过了材料的固有强度，则材料发生瞬时断裂。由于温度变化产
12、生的热应力可表示为10： (1-2)式中, 为热膨胀系数，为弹性模量，为泊松比，为温差。一般将表面热应力达到材料固有强度作为临界热应力，此时的为临界温差。显然，临界温差值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即抗热震性能愈好。因此，根据广义胡克定律，可得到材料中所允许存在的最大温差为： (1-3)式中，为材料的固有强度，为热膨胀系数，为弹性模量，为泊松比。R定义为表征陶瓷材料抗热震性的因子，也称为第一热应力断裂抵抗因子。1.2.2 抗热震损伤理论材料的热震损伤是指在热冲击条件下，材料出现开裂、剥落，直至破裂或整体断裂的热损伤过程。热震损伤理论基于断裂力学理论，分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、
13、扩展及抑制等动态过程。以热弹性应变能W和材料的断裂能U之间的平衡关系作判断热冲击损伤的依据： WU (1-4)当热应力导致储存于材料中的应变能W足以支付裂纹成核和扩展而生成新生表面所需的能量U，裂纹就形成和扩展11。根据二者的关系，导出了抗热震损伤参数： (1-5)该参数也称为第二类抗热震评价因子。根据该评价参数可以看出，抗热震性能好的材料应具有尽可能高的弹性模量和尽可能低的强度。从材料的强度、弹性模量和泊松比对抗抗热震性能的影响看，抗热震断裂理论与抗热震损伤理论相矛盾。这是因为两种评价理论的所引用的理论基础及其判断依据不同12。两种理论建立模型与标准不同，适用范围不同。抗热震断裂理论建立于陶
14、瓷不存在气孔与微裂纹情况，认为陶瓷材料所受热应力超过材料抗拉强度，材料就断裂，导致灾难性破坏，适用于细晶陶瓷13。抗热震损伤理论建立于陶瓷具有大量气孔与缺陷情况，缺陷不存在相互作用，适用于多孔性陶瓷热震过程中，经裂纹成核、形成、扩展直至最后断裂 14。1.2.3 断裂开始和裂纹扩展的统一理论比较前两种评价理论导出的热震评价因子，可以看出、和对材料的抗热震性能的影响是相悖的。前者注重的是裂纹成核，后者关心的是已有裂纹的扩展。Hasselman为弥补热震断裂理论只注重裂纹成核问题和热震损伤理论只强调裂纹扩展的不足，建立了以断裂力学为基础的“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”。他指出裂纹成核和扩展过程就是热弹性应变能逐步释放而支付新生表面能的过程，并把热裂纹的扩展过程依其扩展特征分为几个阶段15。该理论的力学模型是：一个三维固体在外刚性约束下经历了一个温差而均匀冷却。基于弹性应变能和断裂表面能的相互作用，可以推导出固体潜在裂纹的稳定表达式： （1-6）称为热应力裂纹稳定参数，越大，裂纹越不容易扩展，抗热震性能越好。以上抗热震性评价理论有诸多前提，如陶瓷材料为完全脆性，材料性能本质上与温度无关，材料为均质且各向同性等，而且实际影响陶瓷抗热震性能的参数极多且较复杂，所以它们不可避免与实际试验结果存
