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如何提高陶瓷的抗熱震性呢?

發布時間:2021-04-23 11:18:25

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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前言


陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優良性能,是較為理想的高溫結構材料,在高溫工程方面得到廣泛應用,但由于陶瓷很脆且抗熱震性較差,使其應用受到了限制。




抗熱震性是指材料承受溫度的急劇變化而不被破壞的能力。結構陶瓷材料在溫度劇變(即熱震作用)的環境下,其強度會大幅度下降,發生剝落甚至脆斷,這大大損害了它使用時的安全可靠性。因此,研究抗熱震性對高溫結構陶瓷材料性能的影響,探討提高抗熱震性的途徑是亟待解決的問題。


如何提高陶瓷的抗熱震性呢?


陶瓷材料的抗熱震性是其力學性能和熱學性能的綜合表現,與材料本身的物理性質有關。因此,一些熱學和力學參數,如熱膨脹系數、熱導率、彈性模量、斷裂能是影響陶瓷抗熱震性的主要參數。因此提高陶瓷抗熱震性應從以下幾方面入手:

1、提高材料強度σ,減小彈性模量E,使σ/E提高。這意味著提高材料的柔韌性,能吸收較多的彈性應變能而不致開裂,因而提高了熱穩定性。

2、減小材料的線脹系數α。眾所周知,固體材料的線脹是由于原子熱振動而引起的,晶體中的平衡間距由原子間的勢能所決定,溫度升高則原子的振動加劇,原子間距的相應擴大就呈現出宏觀的線脹。α小的材料,在同樣的溫差下,產生的熱應力小。

3、提高材料的熱導率λ。λ大的材料傳遞熱量快,使材料內外溫差較大的得到緩解、平衡,因而降低了短時間熱應力的聚集。熱震好的陶瓷材料,一般應具有較高的熱導率。


具體該怎么做呢?


01:引入稀土氧化物提高抗熱震性

稀土氧化物由于具有特殊的物理化學性能,起到改善氧化鋁陶瓷顯微結構和提高力學性能的作用,將其引入被認為是改善氧化鋁陶瓷性能的一個有效途徑,目前已有很多研究。

如引入稀土氧化物Y?O?,La?O?,Sm?O?可以抑制氧化鋁晶粒生長,細化晶粒,提高力學性能;引入適量的Y?O?,CeO?,La?O?可改善氧化鋁陶瓷的顯微結構,加速燒結,有利于致密化并保持較好的力學性能。


02:形成氧化物-非氧化物復合材料

通過對氧化物-非氧化物復合材料的高溫性能的研究發現,在氧化物中引入非氧化物,材料的抗熱震性能明顯提高,原因在于非氧化物(如BN、SiC、Si3N4等)的熱傳導性較高,其本身的抗熱震性能較好。同時對非氧化物基的材料來說,引入適當的氧化物,也可以保持非氧化物原有優良的抗熱震性。


03:引入金屬化合物

經研究發現,Fe-Al基金屬間化合物的性能介于鋼與陶瓷之間,與Al?O?具有較好的適配性。在Al?O?基體中引入金屬間化合物Fe-Al相,其抗彎強度和斷裂韌性可平均提高到600MPa和10MPa·m1/2,同時影響Fe-Al/Al?O?復合材料的抗熱震性。


04:引入低熱膨脹系數組元

在氧化物陶瓷材料中,添加提高熱導率、降低熱膨脹系數的組元,將有利于提高陶瓷的抗熱震性。例如,在氧化鋁陶瓷中添加堇青石、莫來石、鈦酸鋁、鋰輝石、鋰霞石等可獲得具有較低線脹系數的復合材料,從而提高氧化鋁陶瓷的抗熱震性。


05:通過相變改善陶瓷材料熱震性

氧化鋯同時存在單斜、四方和立方三種晶型且熱膨脹系數不同,在升溫和降溫過程中發生相變伴隨的體積變化容易導致材料破裂。利用這一特點,通過對相組成及其變化調整和控制可以提高氧化鋯陶瓷材料的抗熱震性能。趙世柯等通過調整CaO穩定ZrO?材料的相組成和熱膨脹,提高了氧化鋯陶瓷材料的抗熱震性能。


06:改善工藝

材料中若含有少量微裂紋時,微小裂紋破裂有明顯的動力擴展,瞬時裂紋長度變大,從而引起嚴重的破壞。假如原先裂紋長度能夠控制在一定低的范圍內,則可以有最小的動力擴展,使材料的抗熱震性得到改善。從工藝的角度出發,通過調整材料的顆粒尺寸,人為引入裂紋等方法提高材料的抗熱震性,例如ZrO?微裂紋增韌陶瓷。






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