2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,第7章 陶瓷材料強度的控制,陶瓷材料使用過程中所要求達到的一些有關(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。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,7.1 陶瓷材料強度的特征,Orowan提出，固體材料的理論強度th ：,E 材料的彈性模量，Pa； 材料的表面斷裂能，J/m2； a 原子間的平衡距離或晶格常數(shù)。,th 0.1 E,實驗表明，陶瓷材料的實際強度遠小于其理論強度。?,1. 陶瓷材料的強度,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,Griffith微裂紋理論：,材料中總存在著許多細小的裂紋或缺陷，在外力作用下裂紋或缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當達到一定程度時（遠小于原子間的結(jié)合力），裂紋擴展連接而導(dǎo)致材料整體破壞。裂紋擴展的動力是材料內(nèi)彈性應(yīng)變能的釋放或降低。,E 材料的彈性模量，Pa； 材料的表面斷裂能，J/m2； c 裂紋長度的一半。,裂紋擴展的臨界應(yīng)力：,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2. 陶瓷材料中裂紋產(chǎn)生的原因,（1）因動力學(xué)條件不滿足，晶體生長存在著許多缺陷，如位錯，它們在運動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）陶瓷材料的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。 （3）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。 （4）不規(guī)則氣孔的存在，其作用相當于裂紋。這與燒結(jié)程度、密度有關(guān)。 （5）材料表面的粗糙度會影響表面裂紋的大小變化。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,7.2 影響常溫強度的因素,(一) 顯微結(jié)構(gòu)與常溫強度的關(guān)系,1. 氣孔對陶瓷強度的影響,陶瓷強度總是隨氣孔率升高而下降。坯體越致密，氣孔愈少，則強度愈高。,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，從而影響強度。, 0 exp(-b p),p氣孔率,； 0 p0時的強度, MPa； b常數(shù)。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,氣孔的大小、形狀及分布都會對陶瓷強度產(chǎn)生影響。,原因：氣孔率10%時，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，造成強度下降。,氣孔率10%，強度下降。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2. 晶相對陶瓷強度的影響,主晶相不同及含量不同對強度有影響。 普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，強度越高。,晶相種類及含量對陶瓷強度的影響,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（1）晶粒尺寸對強度的影響,多晶陶瓷強度f與晶粒直徑d的關(guān)系符合半經(jīng)驗公式： f Kd- 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)； 與材料特性和實驗常數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。,部分研究結(jié)果顯示，的取值為1/81；當d值小時，的取值也小；當d值大時，的取值也大。因此，陶瓷強度對晶粒尺寸的依賴性很強。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,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，則出現(xiàn)斷裂所需的負荷?。?b. 裂紋有一定長度時，尖端部分出現(xiàn)應(yīng)力集中，尖端的曲率半徑愈小則應(yīng)力愈集中，小的負荷即可使裂紋擴展斷裂。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,晶粒尺寸增大對強度影響的原因：,晶粒尺寸減小，為什么會使陶瓷材料的強度提高？,大晶粒出現(xiàn)裂紋的幾率增大； 大晶粒的各向異性導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加劇。,晶粒尺寸減小，比表面積增加，晶界面積增加，裂紋擴 展的阻力愈大，或者說外加破壞負荷衰減愈多，因此強 度增加； 細晶粒的應(yīng)力集中效應(yīng)小于粗晶粒的； 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，從而降低強度。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,玻璃相含量多的三組分陶瓷中，晶粒大小也會影響其機械強度。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，故其強度下降。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,通過討論晶粒大小對強度的影響，可以從以下幾方面提高陶瓷強度：,提高原料微粉的品質(zhì)，特別是對氧化物與非氧化物陶瓷。要求粉體盡量細；大小、形狀均一，化學(xué)純度和相結(jié)構(gòu)的單一性好； 科學(xué)選擇燒結(jié)溫度，選擇最佳工藝條件，防止晶粒長大； 選擇適當?shù)奶砑游镔|(zhì)和加入量，抑制晶粒異常長大，促進致密化。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（2）晶型和晶粒形貌對強度的影響,晶型：滑石瓷，正常生成情況下，主晶相為原頑輝石（斜方晶系），控制不當時會轉(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)，加入5% MgO為燒結(jié)促進劑,-Si3N4，低溫穩(wěn)定型，六方晶系，等軸狀、短柱狀晶體。,-Si3N4，高溫穩(wěn)定型，六方晶系，針狀、長柱狀晶體。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（3） 晶界對強度的影響,由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力作用下擴展的裂紋遇到晶界往往會終止。如晶界上有氣孔存在而出現(xiàn)應(yīng)力集中，則裂紋會沿晶界延長。 多晶材料，晶粒取向不同，各向異性，會在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力，降低強度。 晶界中的雜質(zhì)、第二相晶粒對強度也有或好或壞的影響。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,3. 玻璃相對陶瓷強度的影響,普通陶瓷：,玻璃相是主體，其強度對陶瓷強度起主要作用；構(gòu)成玻璃相的組成的鍵強顯得較重要。玻璃相數(shù)量少，晶相多，則陶瓷強度高。,氧化物和非氧化物陶瓷：,生產(chǎn)中加入添加劑，以促進坯體燒結(jié)，但會生成少量的玻璃相，使陶瓷的強度下降很多。一般需要進行熱處理，使玻璃相轉(zhuǎn)化為晶相。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（二）工藝因素與常溫強度的關(guān)系,高強度陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的特點是：密度要高，氣孔和裂紋要少，晶粒尺寸要適當。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,控制坯體致密化與晶粒粗化過程的分析：,致密化速率：,晶粒的粗化速率：,提高 /速率的方法：,（1）選用適當?shù)奶砑觿?（2）采用細粒易燒結(jié)的粉末；,（3）采用有效的燒成工藝與方法。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,1. 原料制備工藝的影響,可提高其反應(yīng)活性，增加表面缺陷、比表面積和反應(yīng)能力，使燒結(jié)溫度降低并易于燒結(jié)，減少氣孔，從而有利于實現(xiàn)致密化。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（1）采用化學(xué)方法制備出超細、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）采用嚴格的保障措施，防止雜質(zhì)進入原料中，保證純度。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,(3) 若采用壓制法成型，則對細粉料進行造粒處理，使之適應(yīng)成型需要。,（4）原料配比時要選擇合適的添加劑，這對氧化物和非氧化物陶瓷非常重要。,添加劑的作用主要有：？,選擇添加劑的原則： （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，以促進形成固溶體；,b. 添加劑濃度和固溶體的極限要接近，以增強致密化效果；,c. 添加劑和主晶相金屬離子電價之差為1，以保證缺陷濃度和適當?shù)娜芙舛龋?d. 添加劑有適當?shù)膿]發(fā)性，使其在高溫下能均勻分布在坯體中。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2. 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，對強度影響不大。,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。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,3. 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，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間，則會增加液相量，增加晶粒尺寸，甚至降低密度和強度。,周玉等（1988年）認為，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、變形與裂紋擴展阻力減少所致。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,一般說來，當陶瓷坯體燒成收縮接近中止時，晶粒開始長大。,因此，要獲得高強度的燒結(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/m,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,7.3 提高常溫強度，克服脆性的方法,降低脆性、提高韌性、強度的方向：,（1）減弱裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)。,（2）提高抵抗裂紋擴展的能力，即提高材料的斷裂能。,1. 陶瓷材料的表面補強,（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，使表面出現(xiàn)壓應(yīng)力，消除部分裂紋，以提高產(chǎn)品抵抗裂紋擴展的能力。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,2. 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的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。,b. 金屬對陶瓷的潤濕性良好。,此外，金屬在高溫煅燒時易氧化，降低材料的高溫性能。,（2）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,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,纖維對陶瓷的補強、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)力和其體積分數(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，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。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,3. 陶瓷的相變增韌,主要是利用氧化鋯（ZrO2，Zirconia）相變時發(fā)生的體積變化增韌陶瓷。,由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，伴隨著35%的體積膨脹和8%的剪切應(yīng)變。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（1）應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌,a. ZrO2受周圍陶瓷基體的約束會抑制其相變，使相變溫度向低溫方向移動。如果室溫下有未相變的t-ZrO2，受張應(yīng)力后，基體對t-ZrO2的束縛減弱，使之轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2。轉(zhuǎn)化時吸收了能量，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。,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的使用條件：,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的差別源于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的臨界尺寸dc見下表:,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（2）微裂紋增韌 Micro-cracking toughening,當加入的t-ZrO2顆粒稍大（d dc），則相變溫度在室溫以上。冷卻至室溫時，四方相已自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕唷Ｏ嘧儠r的體積膨脹引起基體出現(xiàn)微裂紋。 當受外力作用時，微裂紋會使主裂紋分叉或改變方向，吸收和消耗裂紋擴展所需的能量，因而減緩或阻礙裂紋擴展，達到增韌效果。,但材料強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，則微裂紋的保護作用減弱，韌性又會降低。,獲得最佳增韌效果對t-ZrO2顆粒尺寸 的要求：,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（3）裂紋分岔增韌,D.J.Green，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理?；w中較大的ZrO2顆粒相變時產(chǎn)生大的應(yīng)力，使晶界減弱和分離。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增大斷裂表面積，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：最細的ZrO2顆粒由四方相完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗟臏囟取?2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（4）裂紋扭轉(zhuǎn)增韌,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,任意排列的第二相顆粒對韌性的影響取決于扭轉(zhuǎn)顆粒的體積濃度和形狀：,2020/9/28,國家精品課程陶瓷工藝原理,（5）表面壓應(yīng)力增韌,N. Claussen (1979)提出，控制的ZrO2相變量，使含ZrO2材料的表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，抵消裂紋前沿的張應(yīng)力，也會使材料補強、增韌。,獲得表面壓應(yīng)力的方法：,表面研磨,低溫熱處理,涂復(fù)含ZrO2的表面層、通過氧化反應(yīng)在表面層生成單斜ZrO2等。,t-ZrO2對陶瓷的增韌往往是幾種機理同時起作用。,