陶瓷材料的力学性能
高分子091 项 淼 学号17
陶瓷材料
陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料
之间的主要区别在于化学键不同。
金属：金属键
高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）
陶瓷：离子键和共价键。
普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。
工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。
工程陶瓷的性能：
耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。
硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。
常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。
一、陶瓷材料的结构和显微组织
1、结构特点
陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。
如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”
2、显微组织
晶体相，玻璃相，气相
晶界、夹杂
（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。
（可通过热处理改善材料的力学性能）
陶瓷的分类
※ 玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃
※ 陶瓷—普通陶瓷--日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……
特种陶瓷--电容器，压电，磁性，电光，高温……
金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……
※ 玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…
2. 陶瓷的生产
(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）
普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）
特种陶瓷（人工的化学或化工原料---
各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）
(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）
(3)烧成或烧结
3. 陶瓷的性能
(1)硬度 是各类材料中最高的。
（高聚物
(2)刚度 是各类材料中最高的 （塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2)
(3)强度 理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
（E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。
(4) 塑性： 在室温几乎没有塑性。
(5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。
(6) 热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）
(7) 热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）
(8) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）
(9) 导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）
(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。
普通陶瓷
一. 传统陶瓷
原料—
长石，石英，粘土，高龄土，绢云母，滑石，石灰。
加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3 ，ZrO2等）提高强度和热稳定性；
加入（SiC等）提高导热性。
1. 日用陶瓷
性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性
用途：日用器皿，工艺品艺术品等
2. 建筑陶瓷
性能要求：强度，热稳定性
用途：地面，墙壁，管道，卫生洁具等.
3. 电工陶瓷（高压瓷）
性能要求：强度，介电性能和热稳定性.
用途：隔电，支持及连接，绝缘器件
4. 化工陶瓷
性能要求：耐蚀性.
用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。
特种陶瓷
1.氧化物陶瓷：
※Al2O3 — 高的强度和高温强度（抗压2493MN/m2)，高化学稳定性和介电性能
• 以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。
• 根据Al2O3含量不同，分为75瓷（Al2O3 含量为75%）又称刚玉-莫来石瓷； 95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。
• Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈
高。
优势：氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉强度可达250MPa；
• 耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；
• 耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作，在空气中的最高使用温度达
1980℃；
• 耐蚀性和绝缘性好；
• 脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。
用途：工具，高温炉零件，空压机泵零件，内燃机火花塞，坩埚。
微晶刚玉（弯曲强度5000MN/m2 ，HRA92-93 红硬性1200℃）---工具,刀具。
※ BeO —导热性好（180 kcal/m·h·℃），热稳定性较高，消散高能辐射的能力强，强度低（抗压强度（785MN/m2）
用途： 熔化某些纯金属的坩埚，真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷
※ZrO2 ——呈弱酸性或惰性，导热系数小1.5-1.7kcal/m·h·℃，使用温度2000-2200℃，抗压强度2060MN/m2
※ MgO CaO 抗各种金属碱性渣的作用，热稳定性差，MgO高温易挥发，CaO在空气中易水化
2.碳化物陶瓷：
※ 碳化硅 —弯曲强度200-250MN/m2，抗压强度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗强碱。
• 主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷；
• 高温强度高，工作温度可达1600～1700℃ 1400℃时，抗弯强度为500～600MPa ； • 有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射；
• 是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电
偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。
用途：加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料
※ 碳化硼—硬度高，抗磨，熔点高2450℃
用途：磨料，超硬质工具材料。
3. 氮化物陶瓷：
※氮化硼—石墨类型六方结构（白石墨）----介电体和耐火润滑剂。
立方结构（β-BN)----极高硬度，抗加热温度2000℃，是金刚石的代用品。
• 主晶相BN，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称；
• 良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多，
故抗热振性和热稳定性好；
• 高温绝缘性好，2000℃仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料；
• 化学稳定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀；
• 硬度较其它陶瓷低，可切削加工；
• 有自润滑性，耐磨性好。
用途： 氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容器和
管道，高温轴承，下班制品成型模，高温绝缘材料；
因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。
4. 金属陶瓷
以金属氧化物或碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末，通过粉末冶金的方法制成的，具有某些金属性质的陶瓷。
金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。
粉末冶金方法及其应用
• 金属材料的制备：熔炼、铸造
高熔点的金属及金属化合物难以通过熔炼或铸造的方法制备
粉末冶金：陶瓷生产工艺在冶金中的应用
粉末制备----压制成型----烧结成零件或毛坯
粉末冶金法的基本工艺过程
１. 粉末制备
包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤。
粉末的纯度、粒度、混合的均匀程度等对粉末冶金制品的质量有重要影响。
粉末愈细、愈均匀、纯度愈高，陶瓷的性能愈好。
2. 压制成型
多采用冷压法，即将粉料装入模具型腔内，在压力机下压制成致密的具有一定强度的坯体。 为了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂，如汽油橡胶溶液、石蜡等。
3. 烧结
将压制成型的坯体放入通过保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结，在保持至少一种组元仍处于固态的烧结温度下，长时间保温，通过扩散、再结晶、化学反应等过程，获得与一般合金相似的组织，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。
根据烧结过程中有无液相产生，烧结分为：固相烧结和液相烧结。
• 固相烧结：在烧结时不形成液相。
无偏析高速钢、烧结铝（Al-Al2O3）、烧结钨、青铜－石墨、铁－石墨等
• 液相烧结：在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。
金属陶瓷硬质合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速钢－WC、铬钼钢－WC等
4. 后处理加工
为改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。
如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压，以提高其密度、尺寸精度等；铁基粉末冶金零件进行淬火处理，以提高硬度等等。
陶瓷材料的力学性能
强度（高温、低温、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。
一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂（图9-23）
（1）弹性
A）弹性模量大
是金属材料的2倍以上。
∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。
晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。
B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量
结构不均匀性；缺陷
C）气孔率↑，弹性模量↓
（2）塑性变形
a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。
b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）
c）陶瓷的超塑性
超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。
-2-11250℃，3.5×10 S应变速率ε=400%。
利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）
（3）断裂
以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源
裂纹扩展，瞬时脆断。
缺陷的存在是概率性的。
用韦伯分布函数表示材料断裂
F()1exp()0mv('m)dv
F(ζ)—断裂概率
m—韦伯模数
ζ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632
ζ’、 ζ—试样内部的应力及它们的最大值
二、陶瓷材料强度和硬度
陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。
（1）弯曲强度
三点弯曲、四点弯曲
四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。∴强度比三点的低。
（2）抗拉强度
夹持部位易断裂（加橡胶垫）
∴常用弯曲强度代之，高20%~40%。
（3）抗压强度
比抗拉强度高得多，10倍左右。
（4）硬度高 HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。
陶瓷材料的断裂韧度
比金属的低1~2个数量级
测定方法（图）
单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭
法、双悬臂梁法。
∵KIC值受切口宽度的影响。
金属材料：ζ↑、δ↓、KIC↓；
陶瓷材料：ζ↑、 KIC↑。 ∵尖端塑
性区很小。
陶瓷材料的增韧：
（1）改善组织（细密、纯、匀）
（2）相变增韧
（3）微裂纹增韧
陶瓷材料的疲劳强度
静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳和热疲劳
（1）静态疲劳
对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。
“温度、应力、环境介质”
分成的个区（图10-11）
孕育区（低于应力强度因子门槛值）
低速区da/dt随K↑而↑
中速区da/dt仅与环境介质有关，与K无关。
高速区da/dt随K↑而呈指数关系↑
（2）动态疲劳
类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。
（3）循环疲劳
疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。
陶瓷材料是脆性材料。
（4）热疲劳
低周疲劳
金属的疲劳寿命通常用循环周次表示
陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示
疲劳特性评价，同样符合paris公式
陶瓷材料的其他性能
1、耐磨性
是耐磨材料的一个发展方向。
（1）减摩性与耐磨性
（2）抗磨性
2、抗热震性（热冲击）
（1）抗热震断裂 1f E
(1)fR 缓慢加热和冷却RE急剧加热和冷却Rtc
，均与热导率有关。
（2）抗热震损伤
气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。
反复加热冷却产生的弹性变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力）。 提高热震损伤抗力，需使用弹性模量大，强度低的材料。