1、LOGO陶瓷的抗熱震性陶瓷的抗熱震性2012.12黃澤亞討論要點抗熱震性的定義v主要指陶瓷材料承受一定程度的溫度急劇變化而結主要指陶瓷材料承受一定程度的溫度急劇變化而結構不致被破壞的性能稱為抗熱震性（構不致被破壞的性能稱為抗熱震性（Thermal Shock Resistance），又稱抗熱沖擊性或熱穩），又稱抗熱沖擊性或熱穩定性。定性。v 對于陶瓷材料一般是指抗熱震斷裂性能和抗熱震損傷性能。對于陶瓷材料一般是指抗熱震斷裂性能和抗熱震損傷性能。v 抗熱震斷裂性能的指標是材料能夠承受的最大熱沖擊溫差抗熱震斷裂性能的指標是材料能夠承受的最大熱沖擊溫差（一般為一次）；（一般為一次）；v 抗熱震損傷性

2、能的指標是材料能夠承受熱循環沖擊的能力抗熱震損傷性能的指標是材料能夠承受熱循環沖擊的能力（一定溫差下的承受次數）；（一定溫差下的承受次數）；v 無論何者都與材料內部的熱應力有關（不均勻受熱所致）。無論何者都與材料內部的熱應力有關（不均勻受熱所致）。熱震性的產生根源v熱震性的根源熱震性的根源熱應力熱應力 第一類熱應力第一類熱應力 由材料的各向異性引起，也叫組織應力由材料的各向異性引起，也叫組織應力 第二類熱應力第二類熱應力 可在均勻材料中出現，分三種情況可在均勻材料中出現，分三種情況1 1）穩定的熱流通過陶瓷材料時，由于外力作用，限制陶瓷材料的自由膨）穩定的熱流通過陶瓷材料時，由于外力作用，限制

3、陶瓷材料的自由膨 脹而產生第二類熱應力脹而產生第二類熱應力2 2）穩定的熱流通過陶瓷材料時，因為材料形狀或傳熱特性使其中的溫度分穩定的熱流通過陶瓷材料時，因為材料形狀或傳熱特性使其中的溫度分布產生不均勻（即產生溫度梯度），產生第二類熱應力布產生不均勻（即產生溫度梯度），產生第二類熱應力3) 3) 非穩定的熱流通過陶瓷材料時，由于內部溫度梯度的出現而引起的第二非穩定的熱流通過陶瓷材料時，由于內部溫度梯度的出現而引起的第二類熱應力類熱應力v 可以看出可以看出即使不存在溫度梯度，也會有熱應力產生(第一類熱應力第一類熱應力)。v 即使材料體內存在溫度梯度，也未必產生熱應力。例如，一個具有線性溫度梯度的

4、無限薄板在受熱膨脹時，無不相容應變，也無熱應力產生。熱震性的研究意義v以氧化鋯為例以氧化鋯為例 氧化鋯陶瓷優異的常溫力學性能使它越來越受到人們的重視。改善抗熱震性是拓展氧化鋯陶瓷應用范圍的重要方面v改善陶瓷刀具的抗熱震性，提高刀具的耐用度陶瓷材料抗熱震評價理論v抗熱震斷裂理論抗熱震斷裂理論 (基于熱彈性理論） 代表理論是Kingery的“臨界應力斷裂理論”v抗熱震損傷理論抗熱震損傷理論(基于斷裂力學的觀點)v統一理論統一理論斷裂開始和裂紋擴展的統一理論斷裂開始和裂紋擴展的統一理論 以Hasselman的“斷裂開始和裂紋擴展的 統一理論”最為人們所接受。1tET抗熱震斷裂理論 Kingery基于

5、熱彈性理論，以熱應力和材料固有強度之間的平衡條件作為判斷熱震斷裂的依據，即： H f 當溫度急變(T)引起的熱沖擊應力超過了材料的固有強度H ，則發生瞬時斷裂，即熱震斷裂。急劇冷卻而產生于材料表面的拉應力表示為：抗熱震參數R從抗熱震參數R表達式可見,材料如果同時有高的強度（ f ）熱導率（k）和低的熱膨脹系數（）、楊氏模量（E）、泊松比（），則具有較高的抗熱震能力(1)(1)()ffckRTEE v 熱震損傷理論基于斷裂力學理論，分析材料在溫度變化條件下的裂紋成核、擴展及抑制等動態過程，以彈性應變能w和材料的斷裂能U之間的平衡條件作為判斷熱震損傷的依據：W Uv 當熱應力導致的儲存于材料中的應

6、變能W足以支付裂紋成核和擴展而新生表面所需的能量U，裂紋就形成和擴展。 v 根據上式可以看出，抗熱震損傷性能好的材料應具有盡可能高的彈性模量，斷裂表面能和盡可能低的強度v 不難看出，這些要求正好與高熱震斷裂抗力的要求相反?；蛘哒f，要提高材料的抗熱震損傷能力應當盡可能提高材料的斷裂韌性，降低材料的強度抗熱震損傷理論斷裂開始和裂紋擴展的統一理論v比較斷裂理論和損傷理論及參數，結論相悖。比較斷裂理論和損傷理論及參數，結論相悖。 v 原因是二者所引用的理論基礎及其判斷依據不同。前者注重的是裂紋成核，后者關心的是已有裂紋的擴展。它們分別適用于致密陶瓷和諸如耐火材料的多孔材料v Hasselman為彌補臨

7、界應力斷裂理論只注重裂紋成核問題和抗熱震損傷理論只強調裂紋擴展的不足，將二者結合起來，建立了以斷裂力學為基礎的斷裂開始和裂紋擴展的統一理論 初始裂紋很短 c:激發裂紋擴展的臨界溫差 初始裂紋很長影響陶瓷材料抗熱震性能的因素v陶瓷材料的力學性能v陶瓷材料的熱學性能v陶瓷材料的顯微結構v陶瓷材料的表面狀況力學性能對抗熱震性的影響v抗熱震性能相關的力學性能主要包括材料的斷裂強度、斷裂韌性、彈性模量v陶瓷材料的抗熱震斷裂能力和抗熱震損傷能力對f和E的要求相反，這就要根據材料更趨于受哪種參數的限制，來選擇合理制備方法對其加以控制。vE可通過材料的氣孔率進行調節，經驗公式 通過向基體材料中添加第二相材料，

8、也是調節E的有 效方法。熱學性能對抗熱震性的影響v與材料的抗熱震性緊密相關的熱學性能主要包括熱與材料的抗熱震性緊密相關的熱學性能主要包括熱膨脹系數和熱導率膨脹系數和熱導率v陶瓷材料的熱膨脹 各向異性晶體組成的多晶陶瓷，由于各相的膨脹系數不同，在溫度變化過程中產生的內應力將導致熱膨脹。v陶瓷材料的熱傳導 同樣的熱震條件下，高熱導率的材料內部往往溫度梯度較小，材料所受的熱應力也更小，材料也就具有更高的抗熱震性能。 抗熱震斷裂參數 k:熱導率 :熱膨脹系數顯微結構對抗熱震性的影響v材料組分確定后材料組分確定后,顯微結構就成為影響材料熱學力學顯微結構就成為影響材料熱學力學性質的決定因素性質的決定因素.

9、v顯微結構主要包括晶粒的形態大小顯微結構主要包括晶粒的形態大小,氣孔和微裂紋的氣孔和微裂紋的大小、形態、和分布情況以及增韌纖維的排布和編大小、形態、和分布情況以及增韌纖維的排布和編織形式等?？椥问降?。v抗熱震隨著晶粒的增大有較大的提高，原因在于晶抗熱震隨著晶粒的增大有較大的提高，原因在于晶粒越大，強度越低，而彈性模量和泊松比不變。粒越大，強度越低，而彈性模量和泊松比不變。v大小均勻且彌散分布的眾多氣孔作為既存裂紋能夠大小均勻且彌散分布的眾多氣孔作為既存裂紋能夠分散消耗熱彈性應變能，圓滑的氣孔內壁有助于松分散消耗熱彈性應變能，圓滑的氣孔內壁有助于松弛應力，從而利于改善材料的抗熱震損傷性能。弛應力

10、，從而利于改善材料的抗熱震損傷性能。提高陶瓷材料抗熱震性的途徑v改善材料的熱膨脹與熱導率改善材料的熱膨脹與熱導率 單一致密陶瓷材料來說，其熱膨脹系數幾乎是個定值。單一致密陶瓷材料來說，其熱膨脹系數幾乎是個定值。 降低彈性模量、提高氣孔率或微裂紋密度的手段又常常會伴隨著材料機降低彈性模量、提高氣孔率或微裂紋密度的手段又常常會伴隨著材料機械性能和熱導率的降低。械性能和熱導率的降低。 而通過向基體內添加具有低熱膨脹系數、低彈性模量或高熱導率的材料，而通過向基體內添加具有低熱膨脹系數、低彈性模量或高熱導率的材料，就可以達到上述目的。就可以達到上述目的。 因此，材料的復合化成為提高材料抗熱震性能的有效途

11、徑因此，材料的復合化成為提高材料抗熱震性能的有效途徑。v提高材料的斷裂能提高材料的斷裂能 陶瓷材料韌性的改善主要有微裂紋增韌、相變增韌、裂紋尖陶瓷材料韌性的改善主要有微裂紋增韌、相變增韌、裂紋尖端尾流區增韌等幾種機制。端尾流區增韌等幾種機制。陶瓷材料的增韌v微裂紋增韌機制微裂紋增韌機制 在陶瓷材料中引入一定密度的顯微裂紋，由于微裂紋在擴展過在陶瓷材料中引入一定密度的顯微裂紋，由于微裂紋在擴展過程中的偏轉、彎曲，可耗散大量的能量，可以顯著提高材料程中的偏轉、彎曲，可耗散大量的能量，可以顯著提高材料的韌性，進而提高材料的抗熱震損傷性能。的韌性，進而提高材料的抗熱震損傷性能。v相變增韌機制相變增韌機

12、制相變增韌對材料抗熱震性能的影響主要是利用相變增韌對材料抗熱震性能的影響主要是利用Zr02的的t-m的相的相變體積膨脹效應在材料中產生微裂紋，吸收多余的能量，同變體積膨脹效應在材料中產生微裂紋，吸收多余的能量，同時微裂紋的存在也降低了材料的彈性模量，從而提高了抗熱時微裂紋的存在也降低了材料的彈性模量，從而提高了抗熱震性震性v裂紋尖端尾流區的增韌機制裂紋尖端尾流區的增韌機制裂紋尖端后尾流區增韌機制有：增強相的拔出，橋連裂紋的偏裂紋尖端后尾流區增韌機制有：增強相的拔出，橋連裂紋的偏轉。所謂橋聯增韌是指由增強元連接擴展裂紋的兩表面，形轉。所謂橋聯增韌是指由增強元連接擴展裂紋的兩表面，形成裂紋閉合力而

13、導致脆性基體材料增韌的方法成裂紋閉合力而導致脆性基體材料增韌的方法相變增韌及機理v ZrO2顆粒受到壓抑，四方相ZrO2（t-ZrO2）的相變也將受到壓抑。使得瓷體中部分t- ZrO2 在燒成冷卻過程中以亞穩態保存下來v 在室溫時, ZrO2 顆粒仍以四方相存在, 它有一種力圖膨脹而變成單斜相的自發傾向v 當材料受到外應力時，基體對Zr02的壓抑作用得到松弛，即發生四方相到單斜相的轉變，引起體積膨脹,并在基體中引起微裂紋，從而吸收了主裂紋擴展的能量，達到增加斷裂韌性的效果ZrO2相變增韌非相變第二相顆粒增韌及機理v 碳化物(SiC、TiC、B4C)、氮化物(TiN)、硼化物(TiB2)第二相粒

14、子為增韌相v !高熔點、高強度、高彈性模量v 用于彌散強韌化Al203的硬質顆粒除了單一化合物以外，還可以是復合化合物比如TiCN顆粒等v 顆粒彌散增韌與溫度無關，可以作為高溫增韌機制v 影響第二相顆粒復合材料增韌效果的主要因素為基體與第二相顆粒的彈性模量及熱膨脹系數僅及兩相的化學相容性v 顆粒彌散增韌的主要增韌機制有：熱膨脹失配增韌、裂紋橋聯和裂紋偏轉增韌，延性顆粒增韌及機理v 在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性。目前，用于增韌補強裂韌性。目前，用于增韌補強A1203陶瓷的金屬顆粒主要陶瓷的金屬顆粒主要有有Mo、Cr

15、、Ni、Ag、Ti、Fe、Cu、W、Nb等等v 延性顆粒增韌的陶瓷基復合材料的高溫力學性能不好延性顆粒增韌的陶瓷基復合材料的高溫力學性能不好,但是但是可以顯著改善中低溫時的韌性可以顯著改善中低溫時的韌性v 延性顆粒增韌的增韌機制主要有延性顆粒增韌的增韌機制主要有:裂紋橋聯裂紋橋聯，顆粒塑性變形，顆粒塑性變形，顆粒拔出、裂紋偏轉和裂紋在顆粒處終止顆粒拔出、裂紋偏轉和裂紋在顆粒處終止納米顆粒增韌及機理vNiihara把納米顆粒增韌的機理歸結為：把納米顆粒增韌的機理歸結為：1)組織的微細化作用。抑制晶粒成長和減輕異常晶粒的長大；組織的微細化作用。抑制晶粒成長和減輕異常晶粒的長大；2)殘余應力的產生使

16、晶粒內破壞成為主要形式；殘余應力的產生使晶粒內破壞成為主要形式；3)控制彈性模量控制彈性模量E和熱膨脹系數和熱膨脹系數a等來改善強度和韌性等；等來改善強度和韌性等；4)晶內納米粒子使基體顆粒內部形成次界面，并同晶界納米相晶內納米粒子使基體顆粒內部形成次界面，并同晶界納米相一樣具有釘扎位錯的作用。一樣具有釘扎位錯的作用。v顆粒增韌陶瓷基材料的機理主要有細化晶粒、裂紋顆粒增韌陶瓷基材料的機理主要有細化晶粒、裂紋轉向與分叉轉向與分叉v 近年來國內外對納米復相陶瓷的研究表明：在微米級基體中近年來國內外對納米復相陶瓷的研究表明：在微米級基體中引入納米分散相進行復合，可使材料的斷裂強度、斷裂韌性引入納米分散相進行復合，可使材料的斷裂強度、斷裂韌性提高提高24倍倍.纖維或晶須增韌及機理v 晶須是具有一定長徑比晶須是具有一定長徑比(直徑直徑0.1nm18nm，長，長35nm150n