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陶瓷材料的脆性

發布時間:2021-08-28 14:32:50

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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脆性是無機非金屬材料的一個共同的致命的弱點,陶瓷的脆性,其直觀表現是:在外加負荷下,斷裂是無先兆的,暴發的。間接表現是:抗機械沖擊性和溫度急變性差。

脆性,也是衡量陶瓷材料性能的重要特征之一,是陶瓷材料的致密弱點。


陶瓷脆性的本質主要由化學鍵性質和晶體結構所決定,在陶瓷中缺少獨立的滑移系,材料一旦處于受力狀態就難于通過滑移所引起的塑性形變來松弛應力。從顯微結構上看,脆性的根源在于微裂紋的存在,易于引起應力高度集中,繼而微裂紋擴展以致斷裂。


陶瓷材料的脆性特征:


1、共價鍵特征


陶瓷材料中組成化學鍵的原子間有許多空隙,難以引起位錯的移動。

共價鍵有方向性,會使晶體結構復雜,且具有較高的抗畸變和阻礙唯一運動的能力。


2、顯微結構特征

陶瓷材料屬于多晶體,為多相結構,它的晶界會阻礙位移,聚集的位移會引起裂紋的形成,加上實際晶體結構中點、線、面缺陷的存在,且其內部還存在顯微和亞顯微裂紋,其結構上的不均勻性更是在所難免。

此外,晶界、氣孔、晶相、二相夾雜以及裂紋等顯微結構因素,都能導致陶瓷材料呈現脆性。


3、無塑變特征

常溫下大多數陶瓷材料在外力作用下沒有或只有很小的塑性變形,這就導致陶瓷材料斷裂時都比較突然,即呈現出脆性。


脆性斷裂是當材料受力后將在低于其本身結合強度的情況下作應力再分配,而外加應力的速率超過應力再分配的速率時沒有其它吸收能量的過程,應力無法松弛,則集中用于裂紋的擴展上,使得擴展速度十分迅速,最終導致突發性破壞。

脆性斷裂是裂紋擴展的終結。


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顯微結構與脆性的關系:

1、晶粒尺寸與裂紋

由于陶瓷制備工藝的復雜性,晶內裂紋的存在幾乎不可避免,減少晶粒尺寸可以使陶瓷材料脆性得到改善。

晶粒尺寸減小,晶粒增多,會加大裂紋擴展的阻力。

細晶粒的應力集中效應比粗晶粒小。

粗晶粒的彈性和熱性各向異性往往會導致微裂紋的出現,使得內應力加大、斷裂能降低。


2、氣孔率與裂紋

陶瓷材料的強度、彈性模量隨氣孔率的增大而減小。氣孔的增多會使材料的密度下降,即減少了負荷面積。氣孔存在于晶界處會引起應力集中,在外力作用下易形成裂紋。

氣孔率增加,晶粒間接觸面積減小,氣孔間距縮短,有利于裂紋的形成與擴展,增加材料的脆性。

多相交界處的氣孔,本身便相當于裂紋。


3、晶界與裂紋

對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中止,若晶界上有氣孔且應力集中,則裂紋會沿著晶界伸長。多晶材料晶界相中的雜質及第二相晶粒,有時因其脆性和各向異性引起應力即成為裂紋傳播的途徑,有時因有高的能壘而起著阻止裂紋擴展的作用。


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陶瓷材料脆性的幾種常見解決措施

1、增大微晶數量,提高瓷體密度與純度

①提高原料微粉質量。在滿足其它工藝要求的前提下,使粉體盡可能細化,粒子的大小與形狀均一,化學純度與相結構單一性好。

②科學選擇燒結溫度,選擇最佳工藝條件,防止晶粒長大。

③確定適當添加物和加入量,抑制晶粒異常長大,促進致密化。


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2、相變增韌

通過控制陶瓷體內的相變來克服陶瓷脆性。即利用相變時發生的體積變化,減少裂紋尖端集中的應力,從而達到改善陶瓷脆性的目的。


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3、復合材料增韌

在陶瓷基體中加入另一種粒子材料或纖維材料形成復合材料來增韌。粒子的塑性變形可以吸收一部分能量,從而使裂紋尖端區域高度集中的應力得以部分消除,提高材料對裂紋擴展的抗力。高強度、高模量的纖維既能為基體分擔大部分外加應力,又可阻止基體內裂紋的擴展。


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4、預加應力

通過適當加熱、冷卻的工藝方法在材料表面人為的引入殘余壓力可以提高材料的抗張強度,改善材料的脆性。

這種方法不僅在表面造成壓應力,還可使晶粒細化。


5、工藝優化

合理控制工藝條件,盡可能使陶瓷結構均勻致密,減少氣孔,減少裂紋,改善脆性。





 


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