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第12章 陶瓷增韧

由于大多数陶瓷是由离子键或共价键组成的,所以与金属材料和高分子材料相比,它有自己的特性:熔点高、硬度高、弹性模量高、高温强度高、耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等。许多精细陶瓷都是优异的高温结构材料。其中,有些陶瓷还具有优异的综合性能,例如ZrO2,既是优良的结构材料,用于制造整形模、拉丝模、切削刀具、表带、连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞帽、坩埚、磨球等;又是具有氧离子导电性的功能材料,用于制造氧传感器,广泛应用于检测汽车尾气,锅炉烟气及钢液氧含量,还可制造高温燃料电池和电化学氧泵。又如,Si3N4既可作发动机零部件和刀具材料,又可作抗腐蚀和电磁方面应用的材料。SiC既是极有前途的高温结构材料,又是常用的发热体材料、非线性压敏电阻材料、耐火材料、磨料和原子能材料。

然而,特种陶瓷与传统陶瓷一样,它的最大缺点是塑性变形能力差、韧性低、不易成型加工。由于这些缺点,材料一经制成制品,其显微结构就难以像金属和合金那样可通过变形加工来求得改善,特别是其中的孔洞、微裂纹和有害杂质不可能通过变形加工来改变其形态或予以消除。并且,陶瓷的力学性能的结构敏感性也比金属和合金强得多,因此,陶瓷材料往往容易产生突发性的脆性断裂。由于这些缺点,使得结构陶瓷的广泛应用受到一定的限制。改善陶瓷材料的韧性并达到工程化应用水平一直是材料科学家孜孜以求的目标。近年来的研究表明,由于纳米陶瓷晶粒大大细化,晶界数量大幅度增加,可使陶瓷的强度、韧性和超塑性大为提高,并对材料的电、磁、光、热等性能产生重要的影响。

由于纳米粉末具有巨大的比表面积,使作为粉末性能驱动力的表面能剧增,扩散速率增大,扩散路径变短。烧结活化能降低,因而烧结致密化速率加快,烧结温度降低,烧结时间缩短。既可获得很高的致密化,又可获得纳米级尺度的显微结构组织,这样的纳米陶瓷将具有最佳的力学性能。还有利于减少能耗,降低成本。例如,纳米Al2O3的烧结温度比微米级。Al2O3降低了300℃~400℃;纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2降低了400℃;纳米Si3N4烧结温度比微米级Si3N4降低了400℃~500℃。纳米Y—TZP陶瓷的超塑性应变速率比031μ的亚微米Y—TZP高出34倍;纳米TiO2陶瓷的显微硬度是普通TiO2的6.5倍;纳米SiC陶瓷的断裂韧性比普通SiC提高100倍。

近年来纳米陶瓷的一个重要发展方向是纳米复合陶瓷。纳米复合陶瓷一般分为三类:①晶内型,即晶粒内纳米复合型,纳米粒子主要弥散于微米或亚微米级基体晶粒内;②晶间型,即晶粒间纳米复合型,纳米粒子主要分布于微米或亚微米级基体晶粒问;③晶内-晶间纳米复合型,由纳米级粒子与纳米级基体晶粒组成。在陶瓷基体中引人纳米级分散相粒子进行复合,使陶瓷材料的强度、韧性及高温性能得到大大改善。

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