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改善特种陶瓷脆性、提高韧性的方法

2021-01-21   来源:精城特瓷   作者:罗云坚   阅读:

        脆性是无机非金属材料致命的弱点。无论在什么领域,脆性都会使陶瓷材料的应用受到限制,所以如何改善其脆性、提高韧性一直是研究陶瓷材料要解决的重要难题。
        脆性是陶瓷材料发生突然的、无征兆的断裂或破碎。从本质上说,无机非金属材料缺少独立的滑移系统,当受到外力作用时,不能通过滑移引起的塑形变形来缓冲应力,致使陶瓷材料发生爆发性的破坏。从微观上说,陶瓷材料内部存在裂纹和气孔,当应力存在时这些裂纹和气孔会成为裂纹扩展的起源。陶瓷是一种多晶相材料,存在于晶界的裂纹和气孔很难通过人为的方法消除,即便是特种陶瓷(也叫精细陶瓷,结构均匀精细、吸水率为0)通过温度很高的液相烧结,也不能做到像金属材料那样由一个个金属原子整齐排列而成“完美”的材料。所以要提高特种陶瓷材料的韧性可以从细化晶粒、提高结构均匀性、减少缺陷尺寸等方面入手,其增韧机制有相变增韧、纤维补强增韧、颗粒弥散增韧。
        相变增韧是利用相变产生的体积效应,在陶瓷材料内部产生分布均匀的微裂纹,在外力作用下,这些微裂纹起到吸收和分散应力的作用,从而避免产生应力集中现象。当然,微裂纹应控制在纳米尺寸,这样裂纹才不会扩展。ZTA(ZrO2 toughening Al2O3)利用相变增韧的典型应用,ZrO2的单斜相和四方相之间的可逆相变可以产生3~5%的体积变化,断裂韧性从氧化铝的4MPa·m1/ 2提高到ZTA的8.5 MPa·m1/ 2。
        晶须或纤维可以增强颗粒之间的作用,使晶粒之间的联系更加紧密,提高陶瓷材料抗拉和抗弯能力,这是纤维补强增韧的原理。晶须或纤维可以作为第二相引入陶瓷中,形成复合相陶瓷。例如,在氧化铝陶瓷加入碳化硅晶须,制成Al2O3/SiC复合相陶瓷,使氧化铝陶瓷的脆性得到明显改善。
        颗粒弥散增韧是在陶瓷或者金属材料中引入其他氧化物或金属颗粒,颗粒弥散分布在基体中,使颗粒处于晶界或晶体内部,形成晶内型结构。材料的断裂方式由沿晶断裂变为穿晶断裂,使陶瓷材料断裂的能量增加,改善特种陶瓷的断裂脆性,提高其韧性。金属陶瓷以金属材料为基体、陶瓷颗粒为增强相,变成韧性金属、高强度陶瓷的综合体,改善特种陶瓷的脆性,韧性极大提高。精城特瓷生产的碳化钛基金属陶瓷是以碳化钛(TiC)为硬质相,高锰钢及其他金属粉末为粘结相,采用粉末冶金技术制备而成,不仅强度高、硬度大,也具有高的韧性。
 
碳化钛基金属陶瓷,碳化钛金属棒
 
        上面从微观角度解释特种陶瓷增韧的机理和方法,在宏观上通过与橡胶、金属的结合,也可以提高其韧性及使用寿命。
        精城特瓷公司生产的陶瓷橡胶二合一衬板是采用热硫化工艺,将增韧耐磨陶瓷和橡胶硫化而成,再用高强度有机粘合剂将衬板粘接在设备的内壳钢板上,形成坚固且有缓冲力的防磨层。
 
陶瓷橡胶复合衬板
 
        精城特瓷公司生产的耐磨陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料是采用铸造工艺,将高硬度的耐磨陶瓷颗粒与金属材料复合,把陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性同金属基体材料的韧性相结合,在耐磨件的工作表面形成一定厚度的陶瓷金属复合层。这种局部复合的方式既能提高耐磨件的耐磨性,又能保证其整体韧性。
 
耐磨陶瓷颗粒
 
       耐磨特种陶瓷不仅要具备高的硬度和强度,同时应具有一定的韧性。强度和韧性为耐磨特种陶瓷提供必要的支撑,陶瓷特瓷产品扩大和改善了耐磨瓷的应用,质量得到保证,提高使用寿命,收获良好的口碑,在行业内获得广泛的认可。
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