陶瓷材料力学性能和测试方法.PPT

摩尔热容 晶体材料的摩尔热容对结构不敏感，但是体积热容却取决于气孔率。 热膨胀 绝大多数晶体材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。陶瓷材料的线膨胀系数一般都不大，约为10-5 ~ 10-6/K。 热膨胀系数实际并不是一个恒定的值，而是随温度变化的。一般陶瓷材料的线膨胀系数常指20 ~ 1000 ℃的平均值。 热导率 不同陶瓷材料在热导率性能上可以有很大的差别，有些材料是极为优良的绝热材料，有些又是热的良导体。 通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率降低，而低热导率的材料则具有相反的变化特征。 表1-2 一些材料的平均线膨胀系数 材料 线膨胀系数(0-1000oC) /X10-6/℃-1 材料 线膨胀系数(0-1000oC) /X10-6/℃-1 Al2O3 8.8 AIN 4.5 BeO 9.0 BN 2.7 MgO 13.5 Si-B-C-N 0.5 莫来石 5.3 Y2O3 9.3 尖晶石 7.6 ZrO2（稳定化的） 10.8 ThO2 9.2 熔融SiO2玻璃 0.5 UO2 10.0 钠-钙-硅酸盐玻璃 9.0 B4C 4.5 瓷器 6.0 TiC 7.4 稀土耐火材料 5.5 SiC’ 4.4 MgO·Al2O3 9.0 SiC’’ 4.8 Al2O3·TiO2 2.5 SiC’’’ 4.8 锂霞石 -6.4 Si3N4’ 3.2 锂辉石 1.0 Si3N4’’ 3.4 堇青石 2.5 Si3N4’’’ 2.6 TiC金属陶瓷 9.0 ?-Sialon 3 ZrSiO4 4.5 抗热震性 陶瓷材料热应力大小取决于材料的热学性能和力学性能，并且还受构件几何形状和环境介质的影响。所以作为陶瓷材料抵抗温度变化能力大小标志的抗热震性，也必将是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现。陶瓷材料抗热震性的评价理论主要有：临界应力断裂理论、热震损伤理论和裂纹形成与扩展理论等，这些理论不同程度地存在着局限性。 影响陶瓷抗热震性的主要因素有： 热膨胀系数 众所周知，固体材料的热膨胀是由于原子热振动而引起，晶体中的平衡间距由原子间的势能所决定，温度升高则原子的振动加剧，原于间距的相应扩大就呈现出宏观的热膨胀。 热膨胀系数较低，抗热震性较好 表1-2 一些材料的平均线膨胀系数 由表1-2可知，密堆积的离子键氧化物，如Al2O3等，具有较高的热膨胀系数，且随温度升高而增大。大部分硅酸盐晶体，如堇青石（MgO·2Al2O3·5SiO2）和锂霞石（Li2O·Al2O3·2SiO2），由于晶体中原子堆积较松，其热膨胀系数较低，抗热震性较好。 共价键晶体，如SiC等，虽然其晶体中原子紧密堆积，但由于具有高的价键方向性和较大的键强度，晶格振动需要更大的能量，因而其热膨胀系数较小。即共价晶体热膨胀系数比离子晶体低。 为了改善陶瓷材料的抗热震性，应选择热膨胀系数较小的组分。 热导率 抗热震性好的陶瓷材料，一般具有较高的热导率。由于热在陶瓷中的传导主要依靠晶格振动，因而硬度高的SiC陶瓷由于晶格振动速度大，其热导率较高。MgO、Al2O3和BeO等纯氧化物陶瓷的热导率比结构复杂的硅酸盐要高。 弹性模量 热应力是弹性模量的增值函数，陶瓷材料的弹性模量比较高，所产生的热应力也较高。一般弹性模量随原子价的增多和原子半径的减小而提高，因此选择适当的化学组分是控制陶瓷材料弹性模量的重要途径之一。 前面讨论陶瓷材料的弹性模量，f 随气孔率的增大而减小，因此为了提高陶瓷的抗热震性，应增大气孔率，降低弹性模量。 断裂能 断裂表面能是决定材料强度和断裂韧性的重要因素，无论是抗热震断裂还是抗热震损伤，均是断裂能的增值函数。因此，凡是能提高材料断裂能的组分和显微结构均能提高陶瓷材料的抗热震性。 l.2.3 陶瓷材料的断裂过程 陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸有等效作用。缺陷的存在是概率性的。 当内部缺陷成为断裂原因时，随试样体积增加，缺陷存在的概率增加，材料强度下降； 表面缺陷成为断裂源时，随表面积的增加，缺陷存在概率也增加，材料强度也下降。 陶瓷材料断裂概率可以最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑： 可以认为同一组材料，韦伯模数是固定值。陶瓷材料在考虑其平均强度时，用韦伯模数 m 度量其强度均匀性。若两种陶瓷材料平均强度相同，则在一定的破坏应力下，m值大的材料比 m 值小的材料发生破坏的可能性要小。 可以认为，陶瓷材料的断裂是以各种缺陷