1、摘 要I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 7 wt% 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
2、化很小。从中可以看出热震制度对 7 wt% 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：Al 2O3 SiC 热震制度 抗热震性指数南京工业大学学士学位(本科毕业)论文IIEffect of temperature on thermal shock resistance of ceramic materials indexABSTRACTThe focus of this research is the effect of different heat shock system for thermal shock resistance o
3、f ceramic materials index. The main conclusions are as follows: (1) For the pure Al2O3, the thermal shock resistance index, after respectively 10 times, 20 times, 30 times, 40 times, 50 times of the thermal shock at 600 , was between 23-30, and the fluctuation is very small; after successive thermal
4、 shock at 200-600 the thermal shock resistance index was between 22-30and the fluctuation is very small, too. It can be seen from the results that the effect of thermal shock system on thermal shock resistance index of pure Al2O3 is very small; (2) For 7 wt% SiC/Al2O3, the index of thermal shock res
5、istance at 600 is 35-46 and the index of thermal shock resistance of successive thermal shock at 200-600 is 39-43, changing smoothly. It can be seen from the results that the effect of thermal shock system on thermal shock resistance index of 7 wt% SiC/Al2O3 is very small; (3) The addition of SiC en
6、hance the thermal shock resistance of ceramic material.Key words: Al2O3； SiC； thermal shock system； thermal shock resistance index目 录III目 录摘要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 陶瓷材料的抗热震评价理论 .11.2.1 抗热震断裂理论 .21.2.2 抗热震损伤理论 .21.2.3 断裂开始和裂纹扩展的统一理论 .31.3 陶瓷材料的抗热震性 .41.3.1 抗热震性的含义 .41.3.2 影响陶瓷抗热震性的因素 .4
7、1.3.3 抗热震性评价手段 .101.3.4 提高陶瓷材料抗热震性的途径 .121.4 抗热震评价方法的研究进展 .121.5 陶瓷材料抗热震性能评价标准 .131.5.1 中国标准 .131.5.2 美国标准 .141.5.3 欧洲标准 .141.7 课题的引入 .14第二章 实验及表征方法 .152.1 实验原料 .152.2 实验设备和仪器 .152.3 试样制备 .162.4 实验方法及表征 .172.4.1 体积密度及显气孔率 .172.4.2 抗弯曲强度 .172.4.3 抗热震性能测试 .18南京工业大学学士学位(本科毕业)论文IV2.4.4 XRD 物相分析 .192.4.5
8、 扫描电镜（SEM ）观察 .192.5 本章小结 .19第三章 实验结果与讨论 .203.1 不同热震次数及热震制度对纯 Al2O3 抗热震性的影响 .203.1.1 热震次数对纯 Al2O3 残余强度的影响 .213.1.2 升降温制度对纯 Al2O3 抗热震性指数的影响 .213.2 不同热震次数及热震制度对 7wt%SiC/Al2O3 抗热震性的影响 .223.2.1 热震次数对 7wt%SiC/Al2O3 残余强度的影响 .223.2.2 升降温热震制度对 7wt%SiC/Al2O3 抗热震性指数的影响 .233.3 SiC 的加入对两种热震制度下陶瓷材料抗热震性的影响 .243.5
9、 微观表征 .25第四章 结论与展望 .264.1 结论 .264.2 展望 .26参考文献 .27致谢 .30第一章 绪论1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
10、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
11、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 Kingery6 在 1956 年首次提出的“临界应力断裂理论”, 后者则以 Hasselman7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。南京工业大学学士学位(本科毕业)论文21.2.1 抗热震断裂
12、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hf断热震断裂的依据，即：(1-1)hf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。f由于温度变化产生的热应力可表示为 10：(1-2)1h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
13、临界温差。显f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：max(1-3)1maxfR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f 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：WU (
14、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第一章 绪论3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)12fR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
15、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f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
16、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）21GRst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。stRst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。南京工业大学学士学位(本科毕业)论文41.3 陶瓷材料的抗热震性1.3.1 抗热震性的含义陶瓷材
17、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
18、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： fkd=（1-7）式中
19、， 为经验指数， f 为材料强度，k 为一比例常数，与材料结构和显微结构相关。第一章 绪论5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. 1-1 the distance between atoms and binding force陶瓷材料的气孔与陶瓷强度的关系如下公式： bpfe=0（1-8）式中， f 为材料强度， 0 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
20、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
21、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。南京工业大学学士学位(本科毕业)论文6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。：单轴拉伸模式 ：平面内剪切模式 ：平面外剪切模式图 1-2 三种裂纹的承载模式Fig. 1-2 tree models of cra
22、ck陶瓷材料的裂纹扩展主要属于单轴拉伸模型，根据模型可以得出应力强度因子的表达式： aY=KI（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， 为陶瓷所受到的张力。当 KI 达到一个临界值时，张应力 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： aY=fIC（1-10）式中，Y：无量纲，a 为材料裂纹长度，K IC 为断裂韧性， f 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。
