Al2O3 陶瓷抗熱震性能的研究

周圓圓 ，胡繼林 ，代長貴

（1. 湖南人文科技學院 材料與環(huán)境工程學院，婁底417000；2. 湖南人文科技學院 精細陶瓷與粉體材料湖南省重點實驗室，婁底417000）

1 引言

Al2O3陶瓷具有許多優(yōu)點，如較高的強度、較大的硬度、良好的耐磨性和耐高溫性、較好的熱導率、抗化學侵蝕性和電絕緣性等［1］。在現(xiàn)代工程技術(shù)中，Al2O3陶瓷在許多領(lǐng)域中獲得廣泛應用，如軍事武器、醫(yī)療器械、光學元件、航空航天、化工和石油煉制等［2］。但Al2O3陶瓷存在著抗熱震性差的缺點，這使得其應用范圍受到了一定的限制。

抗熱震性是指材料承受溫度的急劇變化而不被破壞的能力。當陶瓷處于高溫環(huán)境下時，受到溫度驟變引起的熱沖擊，一旦溫度再次變化就會引起較大的應力梯度。陶瓷材料的各向異性膨脹系數(shù)造成的高熱應力，一般為80MPa～100MPa，這容易導致陶瓷材料出現(xiàn)損傷或斷裂［3］。陶瓷材料的熱應力決定了它的抗熱震性能，而熱應力主要受陶瓷材料力學性能和熱學性能的影響。此外，材料的厚度、幾何形狀等因素也不可忽視［4］。單相Al2O3陶瓷的臨界熱震溫差為200℃，限制了其在熱震環(huán)境下的使用［5］。相比于單相Al2O3陶瓷，Al2O3基復相陶瓷具有更加優(yōu)越的力學性能，因而其抗熱震性也更受矚目［6］。

2 影響Al2O3 陶瓷抗熱震性能的主要因素

2.1 Al2O3 陶瓷的力學性能

材料的力學性能是指陶瓷材料在不同環(huán)境（壓強、溫度等）下，施加各種載荷（擠壓、摩擦、沖擊等），陶瓷材料所表現(xiàn)出的力學特征。與Al2O3陶瓷材料抗熱震性相關(guān)的力學性能主要有斷裂韌性、抗彎強度和彈性模量等［1］。Deng JX 等［7］采用超聲拋光技術(shù)處理Al2O3/TiC/Mo/Ni 陶瓷表面，發(fā)現(xiàn)處理后的陶瓷強度大大提高，抗熱震性能也更好。Maensiri S 等［8］通過對比磨削后的Al2O3陶瓷和拋光后的Al2O3陶瓷，發(fā)現(xiàn)前者的熱穩(wěn)定性顯著優(yōu)于后者，因而磨削后的陶瓷熱穩(wěn)定性能更好。

陶瓷材料在常溫下幾乎不可能產(chǎn)生塑性變形（脆性斷裂），在高熱震環(huán)境下，陶瓷材料的彈性變形一旦達到極限程度時，就會發(fā)生斷裂。材料中裂紋一旦擴展到一定程度，就會立即達到失穩(wěn)態(tài)，之后裂紋迅速擴展造成不可逆的損傷。

陶瓷材料的斷裂韌性一方面可以判斷材料塑性優(yōu)劣，也可以作為衡量抵抗裂紋擴展能力的標準，也就是抵抗脆性破壞的能力。裂紋擴展有三種形式：掰開型（I 型）、錯開型（II 型）、撕開型（III 型）［9］，斷裂韌性的表達式如下［10］：

式（1）中，E 為彈性模量，γ 為表面能。

影響陶瓷材料的抗彎強度的因素有很多，如氣孔率，同樣的材料組分，氣孔率小的強度高。此外，晶粒尺寸和形狀、晶界相的性質(zhì)等也對陶瓷材料的抗彎強度有著顯著影響。

2.2 Al2O3 陶瓷的熱學性能

陶瓷材料的抗熱震性主要受熱膨脹系數(shù)和熱導率這兩方面的影響。熱膨脹是指陶瓷材料在外界條件（壓強、介質(zhì)等）相同的條件下，溫度升高，出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與溫度、熱容等因素有關(guān)，主要受相變、材料組分、各向異性的影響。熱膨脹系數(shù)小的陶瓷材料，耐高溫性能優(yōu)越，產(chǎn)生的熱應力小。例如石英玻璃的熱膨脹系數(shù)并不高（109MPa），σ/E 相比于其他陶瓷高一些，因此石英玻璃的抗熱震性好［11］。其他如堇青石陶瓷、鋰輝石陶瓷和熔融石英陶瓷因熱膨脹系數(shù)小，都具有優(yōu)良的抗熱震性［12］。

熱導率是指陶瓷材料在穩(wěn)定傳熱條件下，單位時間里通過單位面積的熱量［13］?；谶@一點，對單位面積和溫度梯度的改變，就能調(diào)節(jié)材料受到的熱沖擊大小。引入添加劑或者調(diào)節(jié)氣孔大小都是提高陶瓷材料熱導率的有效方法。熱導率和溫度梯度之間的函數(shù)關(guān)系如下：

該式中，當P=0 時，K0為陶瓷材料的熱導率。由上式可以得出：熱導率大，材料內(nèi)溫度梯度會減小，溫差應力就小，熱穩(wěn)定性就好［14］。

3 提高Al2O3 陶瓷抗熱震性能的途徑

提高陶瓷抗熱震性能的途徑，主要有以下幾種思路：（1）減小材料的彈性模量；（2）提高材料強度；（3）減小熱膨脹系數(shù)；（4）提高熱導率。材料組分選擇和顯微結(jié)構(gòu)調(diào)控對氧化鋁陶瓷抗熱震性有非常重要的影響。一些熱學和力學參數(shù)，如熱膨脹系數(shù)、熱導率、彈性模量、斷裂能是影響陶瓷抗熱震性的主要參數(shù)，在陶瓷材料的配方設(shè)計中適當?shù)匾刖ы?、顆粒等第二相，可以一定程度上改善陶瓷材料的抗熱震性能［15］。

3.1 材料組分選擇對Al2O3 陶瓷抗熱震性的影響

如前面所述，影響氧化鋁陶瓷的抗熱震性主要有兩大因素（力學性能和熱學性能），基于此，可以通過選擇合適材料組分、合理設(shè)計材料配方來提高氧化鋁陶瓷的抗熱震性。

3.1.1 纖維/晶須增韌

在Al2O3陶瓷中引入纖維，制備出復相陶瓷，相比于單相Al2O3陶瓷，韌性得到明顯改善，斷裂行為也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，前者是非脆性斷裂，后者是脆性斷裂。有研究發(fā)現(xiàn)［16］，當在Al2O3陶瓷基體中引入與其物理化學性能十分相容的ZrO2纖維時，抗熱震性得到了明顯的提高。氧化鋯纖維的加入，使得材料在制備燒結(jié)過程中會引入氣孔，而氣孔的存在可以改善Al2O3陶瓷材料的力學性能，降低材料的導熱系數(shù)。

3.1.2 熱膨脹失配

在Al2O3陶瓷基體中引入添加劑，熱膨脹系數(shù)差異的存在，導致陶瓷在冷卻時，內(nèi)部出現(xiàn)大量顯微裂紋，強度降低，增大了斷裂能。陳寧等［17］以堇青石、莫來石、高嶺土和氧化鋁微粉為原料，在1370℃下保溫3h 獲得具有較高抗熱震性的堇青石-莫來石窯具材料。Zhang L 等［18］所制備的堇青石/莫來石/Al2O3復相陶瓷具有低的熱膨脹系數(shù)、高的抗彎強度和楊氏模量，使復相陶瓷具有優(yōu)異的抗熱震性能。Kuscer D 等［19］研究了Al2O3顆粒大小對堇青石陶瓷顯微結(jié)構(gòu)、抗彎強度和熱膨脹系數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，體系中的Al2O3顆粒起著夾雜物的作用，裂紋的軌跡被偏轉(zhuǎn)或終止，細小的Al2O3顆粒有助于增加堇青石陶瓷的抗彎強度和熱膨脹系數(shù)。

3.1.3 第二相顆粒增韌

該法一般選用延展性較好的金屬顆粒，一方面可以降低Al2O3陶瓷的脆性，另一方面在燒結(jié)過程中，金屬顆粒也可以充當燒結(jié)助劑的角色。金屬顆粒增韌氧化鋁陶瓷可以有效提高陶瓷材料的抗熱震性。王水慶等［20］在陶瓷基體中加入一定量的銅顆粒，通過熱壓燒結(jié)，制備了Al2O3-Cu 復相陶瓷，經(jīng)過一定的性能測試，發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷的強度、韌性和導熱系數(shù)得到大幅度提高。金屬間化合物可以作為金屬顆粒的替代，同時進一步改善復相陶瓷性能，李嘉等［21］通過制備新型的Al2O3-FeAl 金屬間化合物復相材料，發(fā)現(xiàn)材料的抗熱震性獲得成倍提高。

3.1.4 元素摻雜氧化鋁

趙曉亮等［22］利用溶膠凝膠法合成高比表面積和高熱穩(wěn)定性的硅摻雜有序介孔氧化鋁，有效地抑制γ-Al2O3的相變，同時維持較高的比表面積，從而有效提高了有序介孔氧化鋁的熱穩(wěn)定性。張國等［23］通過研究La-Sr 摻雜和助成膠劑對Al2O3熱穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)La、Sr 物種的共摻雜可以提高Al2O3陶瓷的熱穩(wěn)定性。La、Sr 與Al2O3生成復合氧化物，阻止了γ-Al2O3的高溫團聚。在γ-Al2O3中摻雜雙金屬元素La、Ba 同樣有利于提高氧化鋁的抗熱震性能［24］。

3.2 顯微結(jié)構(gòu)調(diào)控對Al2O3 陶瓷熱震性能的影響

顯微結(jié)構(gòu)主要是指氣孔形狀和分布以及晶粒的大小等方面。一般來說，晶粒越細小的陶瓷材料表現(xiàn)出的強度就越高，兩者的關(guān)系常用Hall-Petch公式來描述［25］：

式（3）中，d 為鐵素體晶粒直徑，σ0為作用在位錯上的摩擦力。

氣孔往往能抑制熱沖擊裂紋，一定量均勻分布的氣孔可以減小熱膨脹系數(shù)，阻止裂紋擴展，孔對材料的導熱性和彈性模量起著積極作用［26］。有研究發(fā)現(xiàn)多孔陶瓷材料的熱沖擊損傷抗性高于致密陶瓷的熱沖擊損傷抗性［27］。

4 Al2O3 陶瓷抗熱震性能的測試方法

不同的材料應用于不同的使用場合，對抗熱震性的要求也不同。目前Al2O3陶瓷抗熱震性能的測試方法主要有：急冷-強度法、壓痕-急冷法、紅外加熱與強氣流淬火法［28］、圓盤中心加熱法［29］、熱氣流噴射法［30］等。常采用的方法主要是前兩種，其優(yōu)缺點如表1 所示。

4.1 急冷-強度法

該法是實驗室里常用的方法，能定量判斷陶瓷材料抗熱震性能的優(yōu)劣。具體做法是：將樣品加熱到一定溫度并保溫30min，注意樣品要受熱均勻，然后迅速投入20℃流水中急冷，或在壓縮冷空氣下降溫，這里的流水和冷空氣充當冷卻劑的角色，再用三點彎曲法測試剩余抗彎強度。熱震前后三點彎曲強度的比值用來反映抗熱震性能的高低［31］。

表1 急冷-強度法與壓痕-急冷法的優(yōu)缺點

4.2 壓痕-急冷法

Tomas Andersson 及David J. Rondiffe 第一次提出了壓痕裂紋擴展的實驗方法［32］。具體做法是：在圓柱狀試樣的表面上打上四個Vickers 壓痕，在掃描電鏡下測定壓痕的裂紋長度，或者用高倍光學顯微鏡測定，之后的操作與急冷-強度法相似，不同的是本法表征抗熱震性能是通過測定裂紋長度的變化情況，計算裂紋增長率。呂珺等［33］采用壓痕-急冷法測試了Al2O3-SiCw 和Al2O3-TiCp 兩種陶瓷基復合材料的抗熱震性能，并與急冷強度法測試結(jié)果進行了對比分析，得到了相同的實驗結(jié)果。因此，在對Al2O3陶瓷樣品進行抗熱震性能測試時，要結(jié)合實際情況選擇合適的測試方法。

5 結(jié)論

目前市場上對Al2O3陶瓷的需求日益增加，對其性能的要求也越來越高。Al2O3陶瓷的抗熱震性對其在高溫下的使用具有比較大的影響，改善Al2O3陶瓷的抗熱震性具有重要的實際意義和市場價值。隨著技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，工藝過程得到不斷優(yōu)化，能夠提高Al2O3陶瓷抗熱震性的第二相材料的種類越來越多，在研究中要結(jié)合材料的性能和具體使用要求，選擇合適的工藝和原材料種類以制備出抗熱震性能優(yōu)異的Al2O3陶瓷，使Al2O3陶瓷在更多領(lǐng)域獲得廣泛應用。