陶瓷材料的抗热震性改善与应用
摘要：
本文总结了陶瓷材料抗热震的理论基础以及抗热震陶瓷材料的分类与应用，基于理论提出了改善陶瓷材料抗热震性的策略，为制作高抗热震陶瓷材料提供了可借鉴的工程技术途径。
关键词：
陶瓷 材料 抗热震性 改善措施 应用 引言：
陶瓷材料因具有极高的熔点、高的化学和物理稳定性及优异的抵抗极端环境的能力而闻名。
但陶瓷材料由于其固有的脆性，抗热震性能较差，热冲击是造成陶瓷材料破坏的重要原因。
因此，改善陶瓷材料的抗热震性能历来就是陶瓷材料研究的重大课题之一。
1. 陶瓷抗热震性的理论基础
陶瓷抗热震性指陶瓷在温度剧变情况下抵抗热冲击的能力。
陶瓷抗热震性能经典理论主要有两种，即Kingery 抗热震断裂理论和Hasselman 抗热展损伤理论和Andersson 等提出一种新模型——压痕淬冷法。
(1) Kingery 基于热弹性理论，提出了抗热震断裂理论。
由热震温差引起热应力与材料固有抗拉强度之间的平衡作为抗热震断裂判据，导出抗热震断裂参数： (1f R E
=
ασ-μ)
式中：f σ为强度极限，E 为弹性膜量，μ为泊松比，α为热膨胀系数， 根据上式，要使陶瓷材料具有优异抗热震性，需要陶瓷弹性模量低，强度极限高，泊松比低。
一些材料R 的经验值见下表。
R 的经验值
f σ(MPa )
μ
-6-1α(⨯10K ) ()E GPa
R （℃）
23Al O
345 0.22 7.4 379 96 SiC 414 0.17 3.8 400 226 热压烧结SiC
310 0.24 2.5 172 547 HPSN
690 0.27 3.2 310 500 4LAS
138
0.27
1.0
70
1460
(2) Hasselman 基于断裂力学理论，从能量观点出发，提出了抗热冲击理论.分析材料在温度变化下裂纹成核、扩展动态过程。
以弹性应变能与断裂表面能之间平衡作为抗热震损伤判据，导出抗热震损伤参数
122st 20
R ()G E λ=α
式中：E 0是材料无裂纹时的弹性模量，G 为弹性应变能释放率，α为热膨胀系数，R st 大，裂纹不易扩展，热稳定性好。
裂纹长度及强度与热震温差的函数关系
上图为理论上预期的裂纹长度以及材料强度随T ∆的变化。
假如原有裂纹长度l 0相应的强度为0σ，当c T T ∆<∆时，裂纹时稳定的；当)c T T ∆=(∆时，裂纹迅速地从l 0扩展到l f ，相应地，0σ迅速地降到f σ。
由于l f 对c T ∆是亚临界的，只有T ∆增长到c T '∆后，裂纹才准静态地、连续地扩展。
因此，在c c T T T '∆<∆<∆区间，裂纹长度无变化，相应地强度也不变。
c T T '∆>∆，强度同样连续地降低。
这
一结论为很多实验所证实。
下图是直径5mm的氧化铝杆，加热到不同温度后投入水中急冷，在室温下测得的强度曲线。
可以看到与理论预期结果是符合的。
对于一些多孔的低强度材料，例如保温耐火砖，由于原先裂纹尺寸较大，预期有图形式，并不显示出裂纹的动力扩展过程，而只有准静态的扩展过程，这同样也得到了实验的证实。
图。
5mm直径氧化铝杆在不同温度下图。
裂纹长度及强度与温到水中急冷的强度度差的关系
(3)Andersson等发展了压痕淬冷模型。
在一定厚度与直径圆柱型试样表面中心位置预制一定长度裂纹，再抛出菱形缺口，经反复加载与卸载，产生凹痕，加热到不同温度，快速放人水中淬冷，用光学显微镜测量试样裂纹长度，计算裂纹增长率，以此评价陶瓷抗热震性。
此模型与Hasselman抗热冲击理论(淬冷应力模型)和Kingery抗热展断裂理论相比，更简单，试样制备较容易。
2. 改善陶瓷断裂抗热震性的主要措施
陶瓷材料的抗热震性是其力学性能和热学性能的综合表现，因此，一些热学和力学参数，如线胀系数、热导率、弹性模量、断裂能是影响陶瓷抗热震性的主要参数。
提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施，主要是根据上述抗热冲击断裂因子所涉及的各个性能参数对热稳定性的影响。
(1) 提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ/E提高。
这意味着提高材料的
柔韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了热稳定性。
热应力是弹性模量的增值函数，由于陶瓷材料的弹性模量比较高，其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一个途径。
(2) 减小材料的线胀系数α。
众所周知，固体材料的线胀是由于原子热振动而引起的，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，原子间距的相应扩大就呈现出宏观的线胀。
α小的材料，在同样的温差下，产生的热应力小。
(3) 提高材料的热导率λ。
λ大的材料传递热量快，使材料内外温差较大的得到缓解、平衡，因而降低了短时间热应力的聚集。
热震好的陶瓷材料，一般应具有较高的热导率。
Al2O3，MgO，BeO等纯氧化物陶瓷的热导率比结构复杂的硅酸盐要高。
由于结构复杂的硅酸盐晶界构成连续相，使热导率降低。
由于热在陶瓷中的传导主要是依靠晶格振动，因而硬度高的SiC陶瓷由于晶格振动速度大，其热导率较高。
3. 抗热震陶瓷的分类及应用
根据陶瓷材料晶相的不同，抗热震陶瓷可以分为氮化物、碳化物、氧化物等。
由于这些陶瓷材料具有优异特性，在耐火材料、高温结构陶瓷方面得到广泛应用。
(1) 氮化物抗热震陶瓷(氮化硅)。
对氮化硅陶瓷研究已超过60年，自20世纪40年代起，科研人员一直致力于氮化硅陶瓷研究。
20世纪40年代中期，美国国家航空和航天管理局NACA研制氮化硅陶瓷应用于燃气涡轮机，提高了涡轮机使用寿命；Volkswagen等公司也将氮化硅陶瓷用于涡轮增压器。
目前氮化硅陶瓷开始代替空气发动机上高温合金叶片，使发动机温度比原先升高约200OC，已广泛应用于航空航天领域。
(2) 碳化物抗热震陶瓷(碳化硅)。
碳化硅陶瓷导热系数极高，应用于窑炉工业，降低其能耗；其热膨胀系数较小，赋予碳化硅陶瓷优异的抗热震性，已被确认为磨料、耐火材料、电热元件、黑色有色金属冶炼等行业使用的原料，在机械、能源、军工等方面有广泛应用，f重结晶碳化硅强度高，抗氧化性好，已经成为发达国家窑具重点发展类别。
(3) 氧化物抗热震陶瓷。
氧化物抗热震陶瓷种类较多，按主晶相不同可分为堇青石质、氧化锆质、莫来石质等。
①堇青石质：堇青石陶瓷具有董青石低热膨胀系数、良好体积稳定性、高化学稳定性等特性，被广泛应用于高温炉、窑具、电子器件和微电子封装材料、内燃机器件。
②氧化锆质：由于氧化锆陶瓷具有良好力学性能和热学性能，作为重要结构和功能材料受到材料工作者高度重视，可作为内燃机元件、燃烧过程控制氧传感器、热风炉燃烧控制、高炉喷煤体系氧含量监测、传感器装置、高温喷嘴等。
③莫来石质：通过渗杂氧化物制备低膨胀性
钛酸铝——莫来石复相陶瓷，抗热震性可以与堇青石相比。
参考文献：
[1]宋世学等. 基于高抗热震性能的陶瓷刀具材料的微观结构设计[J]. 材料科学与工程学报，2003
[2]周玉. 陶瓷材料学. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996
[3]关振铎，张中太，焦金生，无机材料物理性能．北京：清华大学出版社，1992
[4]陈玉清，沈志坚，丁子上，低膨胀陶瓷的结构特征．中国陶瓷，1994，134:46-52。