毕业论文升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响完结.docx

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升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响

摘要

本课题研究的重点则是不同热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。

主要研究结论如下：

（1）对于纯Al2O3，在600℃下分别热震10次，20次，30次，40次，50次所得到的抗热震性指数均在23-30之间，且变化很小；在200-600℃下逐次热震所得抗热震性指数均在22-30之间，变化同样很小。

从中可以看出热震制度对纯Al2O3热震性指数的影响很小；

（2）对于7wt%SiC/Al2O3，在600℃下所得到的抗热震性指数均为35-46之间，在200-600℃下逐次热震的抗热震性指数均在39-43之间，变化很小。

从中可以看出热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性指数的影响很小；（3）SiC的添加能够改善陶瓷材料的抗热震性。

关键词：

Al2O3SiC热震制度抗热震性指数

Effectoftemperatureonthermalshockresistanceofceramicmaterialsindex

ABSTRACT

Thefocusofthisresearchistheeffectofdifferentheatshocksystemforthermalshockresistanceofceramicmaterialsindex.Themainconclusionsareasfollows:

（1）ForthepureAl2O3,thethermalshockresistanceindex,afterrespectively10times,20times,30times,40times,50timesofthethermalshockat600℃,wasbetween23-30,andthefluctuationisverysmall;aftersuccessivethermalshockat200-600℃thethermalshockresistanceindexwasbetween22-30andthefluctuationisverysmall,too.ItcanbeseenfromtheresultsthattheeffectofthermalshocksystemonthermalshockresistanceindexofpureAl2O3isverysmall;

（2）For7wt%SiC/Al2O3,theindexofthermalshockresistanceat600℃is35-46andtheindexofthermalshockresistanceofsuccessivethermalshockat200-600℃is39-43,changingsmoothly.Itcanbeseenfromtheresultsthattheeffectofthermalshocksystemonthermalshockresistanceindexof7wt%SiC/Al2O3isverysmall;（3）TheadditionofSiCenhancethethermalshockresistanceofceramicmaterial.

Keywords:

Al2O3；SiC；thermalshocksystem；thermalshockresistanceindex

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2陶瓷材料的抗热震评价理论1

1.2.1抗热震断裂理论2

1.2.2抗热震损伤理论2

1.2.3断裂开始和裂纹扩展的统一理论3

1.3陶瓷材料的抗热震性4

1.3.1抗热震性的含义4

1.3.2影响陶瓷抗热震性的因素4

1.3.3抗热震性评价手段10

1.3.4提高陶瓷材料抗热震性的途径12

1.4抗热震评价方法的研究进展12

1.5陶瓷材料抗热震性能评价标准13

1.5.1中国标准13

1.5.2美国标准14

1.5.3欧洲标准14

1.7课题的引入14

第二章实验及表征方法15

2.1实验原料15

2.2实验设备和仪器15

2.3试样制备16

2.4实验方法及表征17

2.4.1体积密度及显气孔率17

2.4.2抗弯曲强度17

2.4.3抗热震性能测试18

2.4.4XRD物相分析19

2.4.5扫描电镜（SEM）观察19

2.5本章小结19

第三章实验结果与讨论20

3.1不同热震次数及热震制度对纯Al2O3抗热震性的影响20

3.1.1热震次数对纯Al2O3残余强度的影响21

3.1.2升降温制度对纯Al2O3抗热震性指数的影响21

3.2不同热震次数及热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性的影响22

3.2.1热震次数对7wt%SiC/Al2O3残余强度的影响22

3.2.2升降温热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性指数的影响23

3.3SiC的加入对两种热震制度下陶瓷材料抗热震性的影响24

3.5微观表征25

第四章结论与展望26

4.1结论26

4.2展望26

参考文献27

致谢30

第一章绪论

1.1引言

陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温和化学性质稳定[1]等优点，有着很大的应用空间。

但陶瓷材料主要是由离子键、共价键，或者它们的混合键组成，其最明显的弱点是脆性较大，承受温度的急剧变化而不致破坏的能力较差，即抗热震性能较差。

陶瓷材料不仅脆性较大，而且导热性能差、弹性模量大，因温度起伏所引起的应力梯度大，容易导致材料的失效或破坏。

陶瓷材料在加工或使用过程中，常常受到环境温度变化的热冲击，因此抗热震性能是陶瓷材料的一个重要性能，它成为陶瓷众多优异性能能否得到充分发挥的制约因素，也是决定陶瓷材料可靠性和使用寿命的关键因素之一。

力学性能和热学性能是影响材料抗热震性能的主要决定因素，同时构件的几何形状、尺寸、环境介质以及受热方式等诸多因素与抗热震性能有关。

抗热震性能是材料对热冲击抗力的综合反映[2]。

陶瓷材料对表面裂纹或缺陷尤为敏感，在热震环境下材料容易发生不可预见的破坏。

由于影响陶瓷抗热震性能的因素比较复杂，虽然对其抗热震性有一定的理论解释，但是尚不完善。

本论文在前人研究的单一热震制度下的抗热震性指数的成果下，尝试研究不同的热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。

1.2陶瓷材料的抗热震评价理论

陶瓷材料抗热震性能的研究从本世纪五十年代开始发展至今[3],已初步形成脆性陶瓷抗热震性评价理论[4]的框架。

其中有的以弹性力学为基础，把热应力和材料强度之间的平衡条件[5]作为热震破坏判据；有的则以断裂力学为依据,将热弹性应变能和材料断裂能之间的平衡条件作为热震破坏判据。

它们分别对应于陶瓷的两种破坏形式，即热冲击断裂和热震损伤。

前者的代表理论是Kingery[6]在1956年首次提出的“临界应力断裂理论”,后者则以Hasselman[7]的“热震损伤理论”和“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”最为人们所接受,由于评价理论的不同产生了相应不同的理论评价方法和评价因子[8]下面分别予以说明。

1.2.1抗热震断裂理论

抗热震断裂理论是从热弹性力学[9]的观点出发，以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。

也就是说材料的固有强度不足以抵抗热震温差引起的热应力而产生的材料瞬时断裂。

Kingery基于热弹性理论，以热应力

和材料的固有强度

之间的平衡条件作为判断热震断裂的依据，即：

（1-1）

当温度急剧变化引起的热应力

超过了材料的固有强度

，则材料发生瞬时断裂。

由于温度变化产生的热应力可表示为[10]：

（1-2）

式中,

为热膨胀系数，

为弹性模量，

为泊松比，

为温差。

一般将表面热应力达到材料固有强度

作为临界热应力，此时的

为临界温差。

显然，临界温差

值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即抗热震性能愈好。

因此，根据广义胡克定律，可得到材料中所允许存在的最大温差

为：

（1-3）

式中，

为材料的固有强度，

为热膨胀系数，

为弹性模量，

为泊松比。

R定义为表征陶瓷材料抗热震性的因子，也称为第一热应力断裂抵抗因子。

1.2.2抗热震损伤理论

材料的热震损伤是指在热冲击条件下，材料出现开裂、剥落，直至破裂或整体断裂的热损伤过程。

热震损伤理论基于断裂力学理论，分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、扩展及抑制等动态过程。

以热弹性应变能W和材料的断裂能U之间的平衡关系作判断热冲击损伤的依据：

W≥U（1-4）

当热应力导致储存于材料中的应变能W足以支付裂纹成核和扩展而生成新生表面所需的能量U，裂纹就形成和扩展[11]。

根据二者的关系，导出了抗热震损伤参数：

（1-5）

该参数也称为第二类抗热震评价因子。

根据该评价参数可以看出，抗热震性能好的材料应具有尽可能高的弹性模量和尽可能低的强度。

从材料的强度、弹性模量和泊松比对抗抗热震性能的影响看，抗热震断裂理论与抗热震损伤理论相矛盾。

这是因为两种评价理论的所引用的理论基础及其判断依据不同[12]。

两种理论建立模型与标准不同，适用范围不同。

抗热震断裂理论建立于陶瓷不存在气孔与微裂纹情况，认为陶瓷材料所受热应力超过材料抗拉强度，材料就断裂，导致灾难性破坏，适用于细晶陶瓷[13]。

抗热震损伤理论建立于陶瓷具有大量气孔与缺陷情况，缺陷不存在相互作用，适用于多孔性陶瓷热震过程中，经裂纹成核、形成、扩展直至最后断裂[14]。

1.2.3断裂开始和裂纹扩展的统一理论

比较前两种评价理论导出的热震评价因子，可以看出

、

和

对材料的抗热震性能的影响是相悖的。

前者注重的是裂纹成核，后者关心的是已有裂纹的扩展。

Hasselman为弥补热震断裂理论只注重裂纹成核问题和热震损伤理论只强调裂纹扩展的不足，建立了以断裂力学为基础的“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”。

他指出裂纹成核和扩展过程就是热弹性应变能逐步释放而支付新生表面能的过程，并把热裂纹的扩展过程依其扩展特征分为几个阶段[15]。

该理论的力学模型是：

一个三维固体在外刚性约束下经历了一个温差而均匀冷却。

基于弹性应变能和断裂表面能的相互作用，可以推导出固体潜在裂纹的稳定表达式：

（1-6）

称为热应力裂纹稳定参数，

越大，裂纹越不容易扩展，抗热震性能越好。

以上抗热震性评价理论有诸多前提，如陶瓷材料为完全脆性，材料性能本质上与温度无关，材料为均质且各向同性等，而且实际影响陶瓷抗热震性能的参数极多且较复杂，所以它们不可避免与实际试验结果存在一定偏差，甚至是出现相矛盾的结果。

1.3陶瓷材料的抗热震性

1.3.1抗热震性的含义

陶瓷材料的抗热震性能主要指材料经受一定程度的温度骤变而不致被破坏的能力，它是受热条件下材料力学性能和热学性能的综合体现。

陶瓷材料的热震破坏可分为热冲击作用下的瞬时断裂和热冲击循环作用下的开裂、剥落、直至整体破坏两类[16]。

影响材料抗热震性能的主要因素有：

材料的热膨胀系数、导热系数、弹性模量、材料固有强度、断裂韧性等。

陶瓷材料的抗热震性测试最常用的方法是急冷-强度法[17]。

即将试样直接从高温淬入水中水冷或放在空气中风冷，然后测试它的强度残余率，或找出强度不产生大幅下降的临界温差。

1.3.2影响陶瓷抗热震性的因素

力学因素

材料的力学性能（机械性能）关系到材料的使用情况，按照材料的使用要求，陶瓷材料往往需要较高的室温强度、一定的断裂韧性和较高的硬度及耐磨损等特性。

陶瓷材料的力学性能是材料投入使用的前提，也是影响陶瓷抗热震性的重要因素。

与陶瓷抗热震性关系密切的力学性能有：

抗弯强度、断裂韧性和弹性模量等。

（一）抗弯强度

矩形截面受到垂直应力时，受拉面断裂时的最大应力称为陶瓷材料的抗弯强度。

材料强度包括抗弯强度、抗压强度及抗拉强度（又称断裂强度）。

陶瓷材料的强度主要是原子间的结合力决定的，克服了原子间的结合力，材料才会发生断裂。

原子之间的结合力与原子之间的具体的关系如图1-1.

陶瓷材料的强度与材料的显微结构、尺寸和温度等密切相关。

晶粒直径与陶瓷材料强度的半经验关系[18]：

（1-7）

式中，α为经验指数，σf为材料强度，k为一比例常数，与材料结构和显微结构相关。

从公式1-7可以看出：

晶粒尺寸越小，材料的固有强度越大。

图1-1原子间距离和结合力

Fig.1-1thedistancebetweenatomsandbindingforce

陶瓷材料的气孔与陶瓷强度的关系如下公式：

（1-8）

式中，σf为材料强度，σ0为不存在气孔时陶瓷材料的强度，p为气孔率，b为材料本身的常数。

从公式1-8可以得出这样的结论：

当陶瓷材料中存在气孔时，陶瓷材料的抗弯强度会发生下降，气孔越多，强度越小；气孔的存在主要是降低了陶瓷的受力截面积和导致应力集中，从而降低了陶瓷材料的强度。

晶界对陶瓷的强度也有很大的影响，晶界的成分、性质和厚度决定了晶界强度[19]，晶界强度又反过来作用于陶瓷的强度。

陶瓷材料的尺寸和材料所处的温度环境也会影响陶瓷的抗弯强度，对于尺寸，主要是大尺寸陶瓷材料中存在更多的缺陷和裂纹，这会影响陶瓷内部的应力分布；而对于温度，大多数陶瓷材料在低于800℃时，材料强度变化不大，但当温度继续升高时，材料在高温情况下可能会发生稍许的变形，这时的陶瓷材料的强度会发生较大程度的变化。

现在常用的抗弯强度的测试方法为：

三点抗弯[20]和四点抗弯[21]两种。

本论文测量的强度是在国标尺寸和室温下进行的，采用的是三点抗弯的测试方法。

（二）断裂韧性

断裂韧性[22]是衡量材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料力学性能的最重要的指标之一。

陶瓷材料中的裂纹扩展和断裂问题是陶瓷研究的一个重要的方向，陶瓷材料是脆性材料，裂纹尖端塑性[23]远小于陶瓷的裂纹长度，因此可以通过线弹性力学来研究裂纹问题。

断裂韧性是衡量材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料力学性能的最重要的指标之一。

线弹性断裂力学的中裂纹的承载模式有下面三种：

单轴拉伸模式、平面内剪切模式和平面外剪切模式。

具体的示意图见图1-2。

Ⅰ：

单轴拉伸模式Ⅱ：

平面内剪切模式Ⅲ：

平面外剪切模式

图1-2三种裂纹的承载模式

Fig.1-2treemodelsofcrack

陶瓷材料的裂纹扩展主要属于单轴拉伸模型，根据模型Ⅰ可以得出应力强度因子的表达式：

（1-9）

式中，Y：

无量纲与裂纹的尺寸，样条形状及加载方式等相关，a为材料裂纹长度，KI为应力强度因子，σ为陶瓷所受到的张力。

当KI达到一个临界值时，张应力σ增大，并且足够使裂纹发生失稳导致材料的断裂，此时的KI称为临界应力强度因子，即断裂韧性，具体的表达式如下：

（1-10）

式中，Y：

无量纲，a为材料裂纹长度，KIC为断裂韧性，σf为陶瓷所受到的张力。

断裂韧性是材料微观结构与结构的函数，与裂纹尺寸、形状及加载作用力没有关系。

现在常用的断裂韧性的测试方法有两种，单边切口梁法[24]（SENB法）：

通过人工引进一条线性裂纹；压痕法：

通过压痕引入四角裂纹。

本论文采用单边切口梁法来测量材料的断裂韧性。

（三）弹性模量

通常材料在变形过程中会经历三个阶段：

弹性形变、塑性形变和断裂。

一般的金属材料在变形过程中这样的三个过程都会经历，但对于陶瓷材料基本不存在塑性变形，直接从弹性形变到发生脆性断裂。

弹性形变在微观上的解释是：

构成材料的原子或分子或离子在外力作用下离开平衡位置后又回到原位并且释放外力的过程。

材料在发生弹性形变过程中的应力与应变符合胡克定律。

具体的示意图见1-3图。

图1-3金属材料与陶瓷材料的应力-应变关系曲线

Fig.1-3therelationshipbetweenstressandstrainofmentalandceramics

胡克定律的表达式：

（1-11）

式中，E称为弹性模量，又叫杨氏模量；σ是应力；ε为应变。

如果材料的弹性模量越大，说明其原子间的结合力越强。

上图1-3中金属材料与陶瓷材料处于弹性形变阶段时，对应直线部分的斜率就是材料的弹性模量。

弹性模量有大类的测试方法：

静态法和动态法。

静态法是采用了载荷-挠度（f）曲线，采用三点抗弯的测试方法，保持恒温及缓慢的加载速度。

（1-12）

式中，f1，f2分别是载荷为P1和P2是的挠度，l为支点间的跨距，b为陶瓷材料的宽度，h为陶瓷材料的厚度。

动态法较复杂，但测定时间短，精度高。

采用的原理：

弯曲共振法。

通过测试共振频率来测试材料的弹性模量。

具体的公式如下：

（1-13）

式中，G为中间变量，没有实际的意义；M为试样的质量；lt为式样的长度；t为试样的厚度；fres为共振频率。

弹性模量可以用来表征材料产生弹性变形难易程度，弹性模量越大，材料发生弹性变形的应力也越大，这说明材料刚度越大，也就是说一定应力作用下，发生弹性变形越小。

这只是衡量材料抗热震性的一个因素，不能单独的通过弹性模量来判断材料抗热冲击能的优劣。

热学因素

陶瓷或陶瓷制品都在一定温度的环境下使用，在使用过程中，可能会出现升温及降温过程，这时陶瓷制品表现出了不同的热物理性能，即材料的热学性能。

陶瓷材料抗热震性紧密相关的热学性能有：

热容、热导率和热膨胀。

（一）热容

材料升温和降温的过程中，材料本身会涉及热量的变化。

在材料不发生相变或反应的条件下，材料在温度上升的过程中，温度上升1K时所吸收的热量称之为该材料的热容，单位为J/K。

热容的表达式可表示为：

（1-14）

式中，Q为热量，T为温度，C为热容。

工程上常使用平均热容：

单位质量的材料从T1到T2（T2＞T1）吸收的热量的平均值：

（1-15）

式中，m为材料的质量，c均为平均热容，Q为吸收的热量。

作为材料的一个重要的热学性能，这能衡量在冷热循环过程中陶瓷材料放出或吸收的热量，这直接关系到材料所受到热应力的大小。

（二）热导率

固体材料的两端的温度不同时，热量会从热端自动的传到冷端的想象称为热传导[26]。

热传导的微观机理：

气体的传导主要通过气体分子的碰撞来实现；而对于固体材料，材料中的质点不能通过碰撞来实现热传导，因为质点只能在平衡位置作微振动，固体材料的热传导主要依赖于晶格振动的格波和自由电子的运动。

金属材料通过自由电子来导热，由于金属中存在大量的自由电子，所以能迅速的传热；对于非金属材料，比如离子晶体，材料中自由电子极少，它的热传导主要通过晶格振动来实现，所以导热一般较差。

对于各向同性的材料，热导率的表达式为：

（1-16）

式中，λ为材料的热导率或导热系数，

为材料沿x轴方向的温度梯度，△Q为材料在△t时间内通过材料x轴方向的截面积△S的热量。

导热系数的影响因素：

温度、晶格结构、化学组成和气孔等。

导热系数是陶瓷材料在受到冷热冲击时，能否及时的释放热量而松弛热应力的能力，它是陶瓷材料抗热震性好坏的重要因素。

（三）热膨胀系数

热膨胀系数是固相材料中重要的性能参数之一。

热膨胀是材料的体积或长度随着材料温度的升高而增大的现象。

固体材料的热膨胀本质：

随着温度的变化，固相材料中点阵结构的质点间的距离会发生变化。

材料的热膨胀系数与材料的晶体结构、化学组成和结合键强度等因素密切相关。

线膨胀系数的表达式为：

（1-17）

式中，αl为线膨胀系数，l0为试样的原始长度，△l是试样在△t时间内试样的长度变化量。

体膨胀系数的表达式：

（1-18）

式中，αv为体膨胀系数，Vc是试样的原始体积，Vt是试样在△t时间内由于温度升高体积发生变化后的实际体积。

对于复相陶瓷材料（假设材料为各向同性），复相材料的线膨胀系数与单相的线膨胀系数有如下的关系式[27]：

（1-19）

式中，α为复相陶瓷的线膨胀系数；αi为i相的线膨胀系数ρi为i相的密度，wi为i相的质量分数，Ki为i相的体积模量。

陶瓷制品在使用或加工过程中往往会考虑不同相之间的热膨胀系数匹配或适配的情况。

比如，考虑将材料封接的严密时，常常要求焊料与陶瓷本身的热膨胀系数尽量保持一致；但对于在陶瓷表面上釉料时，常选取热膨胀系数比配体材料稍小的釉料，为了在烧结或使用过程中，通过热膨胀系数的失配产生内应力来提高陶瓷的强度。

有时表征材料抗热震性时也用在一定温度范围内的平均热膨胀系数，本实验采用的是在25-800℃时的平均线膨胀系数。

1.3.3抗热震性评价手段

从1.3.1部分介绍的材料抗热震性研究理论就不难发现，影响材料的抗热震的因素有很多，陶瓷材料的抗热震性评价手段还没有统一的标准。

有研究者[28]通过测试陶瓷材料热震前后的弹性模量来表征材料的抗冷热冲击的能力；同时有研究者[29]先通过压痕法在陶瓷表面制造裂纹，然后用光学显微镜观察热震前后陶瓷表面产生的裂纹长度的对比来衡量陶瓷抗热震性的好坏；李家茂等[30]通过计算陶瓷材料在热震前后的残余强度损失率来表征陶瓷材料抗热震性，还有其他种评价手段就不一一列举。

下面重点介绍用的最普遍的临界温差和本课题组提出的抗热震性指数两种评价陶瓷材料的抗热震性的方法。

（一）临界温差

将样条加热到一定的温度后，迅速的放入到冷水（或沸水）中，做单次热震后，样条的强度不发生明显下降的最大温差称为临界温差。

材料出现强度明显下降时由于在高强度的热冲击下，材料内部的裂纹在较大的热应力下发生长大和扩展到最后的材料断裂的过程。

欧洲标准、中国标准和美国标准均采用临界温差或类似于临界温差的表征方法来衡量陶瓷材料的抗热震性。

（二）抗热震性指数（Г）

图1-4多次热震循环下的损伤饱和行为

Fig.1-4Thermalshockdamagesaturationasafunctionofnumberofcycles

抗热震性指数Г是在大量的实验基础上提出的[29]，将实验样条加热到600℃，然后放入保持恒温（常温）的水中做淬冷实验。

以热震后强度与热震次数作图，发现：

陶瓷强度在临界温差处会出现强度大幅度的降低，但随着热震次数的继续增加，材料的残余强度基本保持不变，材料的残余强度会出现热震损伤饱和的阶段，具体的过程见图1-4。

从大量的实验数据中可以发现：

材料在热震前后强度的保持程度可以用来表征材料抗热震性的优劣。

抗热震性指数能适用于绝大多数陶瓷材料，抗热震性指数测试的温差可视具体情况而定，本教研室采用600℃是考虑到实验条件，并且本教研室研究的陶瓷材料的临界温差均小于或略小于600℃。

在600℃热震条件下出现炸裂的，残余强度认为是0MPa，比如，钛酸铅钡在5次热震后会炸裂。

这种情况定义钛酸铅钡的抗热震性指数为0。

1.3.4提高陶瓷材料抗热震性的途径

陶瓷材料的热震破坏主要是由材料内部的热应力所引起。

陶瓷抗热震性是其力学性能和热学性能的综合表现，因此，如热膨胀系数、热导率、强度、断裂韧性和弹性模量等热力学和力学性能是影响陶瓷抗