1.11.2陶瓷材料的强化

　　影响陶瓷材料强度的因素是多方面的,材料强度的本质是内部质点(原子、离子、分子）间的结合力,为了使材料实际强度提高到理论强度的数值,长期以来进行了大量研究.从对材料的形变及断裂的分析可知,在晶体结构既定的情况下,控制强度的主要因素有三个,即弹性模量E,断裂功（断裂表面能）和裂纹尺寸.其中E是非结构敏感的,与微观结构有关,但对单相材料,微观结构对的影响不大,唯一可以控制的是材料中的微裂纹,可以把微裂纹理解为各种缺陷的总和.所以强化措施大多从消除缺陷和阻止其发展着手.值得提出的有下列几个方面.

　　（1）微晶,高密度与高纯度为了消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方面.近年来出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷,例如用热压工艺制造的陶瓷密度接近理论值,几乎没有气孔,特别值得提出的是各种纤维材料及晶须.表1-6列出一些纤维晶须的特性,从表中可以看出,将块体材料制成细纤维,强度大约提高一个数量级,而制成晶须则提高两个数量级,与理论强度的大小同数量级.晶须提高强度的主要原因之一就是大大提高了晶体的完整性,实验指出,晶须强度随晶须截面直径的增加而降低.

　　表1-6几种陶瓷材料的块体、纤维及晶须的抗拉强度

　　材料

　　抗拉强度/MPa

　　块体

　　纤维

　　晶须

　　Al2O3

　　BeO

　　ZrO2

　　Si3N4

　　280

　　140(稳定化）

　　140(稳定化）

　　120~140（反应烧结）

　　2100

　　-

　　2100

　　21000

　　13333

　　-

　　14000

　　（2）预加应力人为地预加应力,在材料表面造成一层压应力层,就可提高材料的抗张强度.脆性断裂通常是在张应力作用下,自表面开始,如果在表面造成一层残余压应力层,则在材料使用过程中表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余压应力.通过一定加热、冷却制度在表面人为地引入残余压应力的过程叫做热韧化.这种技术已被广泛用于制造安全玻璃(钢化玻璃),如汽车飞机门窗,眼镜用玻璃.方法是将玻璃加热到转变温度以上但低于熔点,然后淬冷,这样,表面立即冷却变成刚性的,而内部仍处于软化状态,不存在应力.在以后继续冷却中,内部将比表面以更大速率收缩,此时是表面受压,内部受拉,结果在表面形成残留压应力.图1-54是热韧化玻璃板受横向弯曲时,残余应力,作用应力及合成应力分布的情形.这种热韧化技术近年来发展到用于其他结构陶瓷材料,淬冷不仅在表面造成压应力,而且还可使晶粒细化.利用表面层与内部的热膨胀系数不同,也可以达到预加应力的效果.

　　图1-54热韧化玻璃板受横向变曲荷载时,残余应力、作用应力及合成应力分布

　　（3）化学强化如果要求表面残余压应力更高,则热韧化的办法就难以做到,此时就要采用化学强化(离子交换)的办法.这种技术是通过改变表面的化学组成,使表面的摩尔体积比内部的大.由于表面体积胀大受到内部材料的限制,就产生一种两向状态的压应力.可以认为这种表面压力和体积变化的关系近似服从虎克定律,即:

　　(1-105)

　　如果体积变化为2%,E=70GPa,μ=0.25,则表面压应力高达930MPa.

　　通常是用一种大的离子置换小的,由于受扩散限制及受带电离子的影响,实践上,压力层的厚度被限制在数百微米范围内.在化学强化的玻璃板中,应力分布情况和热韧化玻璃不同,在热韧化玻璃中形状接近抛物线,且最大的表面压应力接近内部最大张应力的两倍,但在化学强化中,通常不是抛物线形,而是在内部存在一个接近平直的小的张应力区,到化学强化区突然变为压应力.表面压应力与内部张应力之比可达数百倍.如果内部张应力很小,则化学强化的玻璃可以切割和钻孔.但如果压应力层较薄而内部张应力较大,内部裂纹能自发扩展.破坏时可能裂成碎块.化学强化方法目前尚在发展中,相信会得到更广泛的应用.

　　此外,将表面抛光及化学处理用以消除表面缺陷也能提高强度.强化材料的一个重要发展是复合材料的出现.复合材料是近年来迅速发展的领域之一.

　　（4）陶瓷材料的增韧

　　所谓增韧就是提高陶瓷材料强度及改善陶瓷的脆性,是陶瓷材料要解决的重要问题.与金属材料相比,陶瓷材料有极高的强度,其弹性模量比金属大很多.但大多数陶瓷材料缺乏塑性变形能力和韧性,见表1-7,极限应变小于0.1％~0.2％,在外力的作用下呈现脆性,并且抗冲击、抗热冲击能力也很差.脆件断裂往往导致了材料被破坏.一般的陶瓷材料在室温下塑性为零,这是因为大多数陶瓷材料晶体结构复杂、滑移系统少,位错生成能高,而且位错的可动性差.

　　表1-7金属与陶瓷材料的室温屈服应力与断裂韧性

　　材料

　　性能

　　屈服应力

　　断裂韧性KIC/Mpa.m1/2

　　碳钢

　　马氏体时效钢

　　高温合金

　　钛合金

　　陶瓷HP-Si3N4

　　235

　　1670

　　981

　　1040

　　490

　　210

　　93

　　77

　　47

　　5.5~3.5

　　高强度的陶瓷缺乏足够的韧性,例如,容易碎块断裂的高强度,热处理玻璃一旦出现缺陷,其对破裂传播的障碍极小,会迅速地导致断裂.表1-8中所列的为玻璃和一些单晶体陶瓷的结构韧性的数值.

　　表1-8室温下陶瓷和复合材料的断裂韧性

　　材料

　　KIC/Mpa.m1/2

　　材料

　　KIC/Mpa.m1/2

　　硅酸盐玻璃

　　单晶NaCl

　　单晶Si

　　单晶MgO

　　单晶SiC

　　热压烧结SiC

　　单晶Al2O3

　　(0001)

　　(1010)

　　(1012)

　　(1120)

　　0.7~0.9

　　0.3

　　0.6

　　1

　　1.5

　　4~6

　　4.5

　　3.1

　　2.4

　　2.4

　　Al2O3

　　Al2O3-Al复合材料

　　热压、气压烧结Si3