陶瓷材料抗熱震性的研究進(jìn)展

趙婷婷，范立坤，黎 陽

(1.上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437；2.上海第二工業(yè)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院, 上海 201209)

0 引 言

陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在苛刻的服役環(huán)境中具有巨大的應(yīng)用潛力[1]；但由于陶瓷材料本身是脆性的，在經(jīng)歷溫度驟變時，熱膨脹或收縮所引起的熱應(yīng)力會導(dǎo)致脆性的陶瓷材料開裂、剝落甚至斷裂，這使得陶瓷材料的應(yīng)用范圍受到限制[2]?？篃嵴鹦?又稱抗熱沖擊性)是指陶瓷材料能夠承受溫度急劇變化的能力，是衡量陶瓷材料使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。研究陶瓷材料的抗熱震性對其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，提高抗熱震性一直是陶瓷材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。為了給相關(guān)工作人員提供參考，作者對陶瓷材料抗熱震性的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，簡述了陶瓷材料抗熱震性理論、表征方法的發(fā)展進(jìn)程以及影響陶瓷材料抗熱震性的外部因素，指出了提高陶瓷材料抗熱震性的方法，并給出了未來的研究方向。

1 抗熱震性評價理論

材料外部溫度波動時會導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，當(dāng)裂紋積累到一定程度后材料會發(fā)生失效。抗熱震性表征的是材料抵抗溫度急劇變化的能力，是材料力學(xué)性能(斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度、彈性模量)和熱學(xué)性能(熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率)對受熱情況的綜合反應(yīng)[3]。陶瓷材料的熱震破壞方式主要分為兩類，一類是熱沖擊作用下的瞬時斷裂，另一類是熱沖擊循環(huán)作用下的開裂、剝落、整體破壞?；跓嵴鹌茐姆绞降玫教沾刹牧系目篃嵴鹦栽u價理論，分別為熱應(yīng)力斷裂理論和熱沖擊損傷理論[4-5]。

熱應(yīng)力斷裂理論以材料的斷裂強(qiáng)度和受到的熱應(yīng)力之間的平衡條件為依據(jù)，當(dāng)熱應(yīng)力高于斷裂強(qiáng)度時，材料將發(fā)生斷裂；此理論側(cè)重于裂紋形核階段[6]，適用于高強(qiáng)度致密陶瓷材料，但無法解釋含微孔陶瓷材料的抗熱震性，相關(guān)的公式為

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式中：R，R′分別為第一、第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子；α為熱膨脹系數(shù)；ν為泊松比；E為彈性模量；σf為斷裂強(qiáng)度；λ為熱導(dǎo)率。

由熱應(yīng)力斷裂理論可以看出，要得到高的抗熱震性陶瓷材料需降低材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及提高材料的斷裂強(qiáng)度、熱導(dǎo)率。

熱沖擊損傷理論以材料的斷裂能和彈性應(yīng)變能之間的關(guān)系為依據(jù)，當(dāng)材料中存儲的應(yīng)變能超過材料的斷裂能時，裂紋形成并擴(kuò)展，材料產(chǎn)生熱震損傷[7]；此理論側(cè)重裂紋擴(kuò)展階段[8]，適用于低強(qiáng)度多孔陶瓷材料，且僅限于裂紋擴(kuò)展階段抗熱震性能的評價，相關(guān)的公式為

(3)

(4)

式中：R″，R?分別為抗熱震損傷因子；γE為斷裂能。

由熱沖擊損傷理論可知，抗熱震性好的陶瓷材料應(yīng)具有低的斷裂強(qiáng)度、高的斷裂能和彈性模量。

王潤澤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，熔融石英顆粒復(fù)合材料的抗熱震損傷因子(R?)與斷裂能成正比，斷裂能越大，抗熱震性能越好。LI等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際使用過程中陶瓷的熱沖擊初始溫度應(yīng)盡量選擇合適區(qū)域，R′的適用范圍存在局限性，盲目用R′來反映材料抗熱震損傷狀態(tài)的所有情況是不合理的。王守仁等[11]通過試驗(yàn)和有限元模擬方法發(fā)現(xiàn)，R′與陶瓷材料的熱震溫差呈線性關(guān)系，即熱震溫差越大，R′越小，材料的抗熱震性能越差。

由于熱應(yīng)力斷裂理論與熱沖擊損傷理論側(cè)重的階段不同，同時兩者的適用范圍不一致，因此HASSELMAN等[8,12]將這2個理論結(jié)合起來，提出了熱應(yīng)力裂紋穩(wěn)定性因子Rst，得出提高陶瓷材料的熱導(dǎo)率、抗拉強(qiáng)度以及降低其彈性模量、熱膨脹系數(shù)可提高其抗熱震性的結(jié)論，此觀點(diǎn)被廣大學(xué)者接受并應(yīng)用。Rst的表達(dá)式為

(5)

近年來，一些新的抗熱震性評價理論相繼出現(xiàn)。王鳳森等[13]將抗彎強(qiáng)度σ與Rst的乘積σRst作為新的抗熱震參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)材料抗彎強(qiáng)度和抗震性的最優(yōu)化。ZHOU等[14]構(gòu)建了多層層壓陶瓷材料臨界熱震溫差與材料力學(xué)性能、斷裂能、層數(shù)之間的關(guān)系，建立了可以作為層壓陶瓷的定性或定量分析工具來評價其抗熱震性。李定玉[15]在HASSELMAN等提出的理論基礎(chǔ)上，建立了降溫、升溫及主動冷卻(非表面急劇降溫)等不同環(huán)境下材料抗熱震性的熱-損傷表征模型，并研究了不同材料在不同環(huán)境下的抗熱震性。

2 抗熱震性的測試與表征方法

常用抗熱震性的測試方法主要有殘余強(qiáng)度法、循環(huán)熱震法和壓痕法。殘余強(qiáng)度法[16]通過將試樣在燒結(jié)爐中加熱至指定溫度，在空氣、水等介質(zhì)中淬火冷卻后測得的殘余抗彎強(qiáng)度來表征抗熱震性能；該方法可以直接確定陶瓷材料抗熱震性能的好壞，但所需試樣數(shù)量大，試樣不能重復(fù)使用，且測試條件需要根據(jù)試驗(yàn)要求，如熱震溫度[17]、熱震介質(zhì)[18]而定。循環(huán)熱震法是以溫度循環(huán)過程中試樣出現(xiàn)裂紋或發(fā)生斷裂前的熱震循環(huán)次數(shù)作為判斷依據(jù)，陶瓷材料抗熱震性的好壞主要靠測試人員主觀意識決定。壓痕法[19]是指采用維氏硬度計(jì)在經(jīng)過拋光處理的試樣上預(yù)制初始裂紋，在設(shè)定的熱震溫差下進(jìn)行試驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡觀察裂紋的擴(kuò)展情況以判斷抗熱震性能的一種方法；該方法中的試樣可以重復(fù)利用，測試結(jié)果更直接，可人為控制裂紋位置、尺寸和形狀，測試成本低，但難以選擇合適的載荷[20]。

目前，陶瓷材料抗熱震性的表征指標(biāo)主要包括熱震后的抗彎強(qiáng)度保持率和抗彎強(qiáng)度損失率以及臨界熱震溫差、R參數(shù)、彈性模量等。董偉霞等[21]以熱震循環(huán)3次后的常溫抗彎強(qiáng)度保持率來表征不同晶粒尺寸莫來石陶瓷的抗熱震性能；李中秋[22]研究了殘余抗彎強(qiáng)度與熱震溫差的關(guān)系，利用殘余抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)突降溫度的高低來作為判斷陶瓷材料抗熱震性能的依據(jù)；XIANG等[23]用脈沖激勵法，通過動態(tài)彈性模量來評價復(fù)相陶瓷材料的抗熱震性能；EICHLER等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在熱震試驗(yàn)中，隨著2Y-TZP陶瓷粒徑的增加，R呈線性增大趨勢，且R變化越明顯，材料的抗熱震性越好。

雖然有些研究認(rèn)為，250 ℃至室溫連續(xù)熱震循環(huán)3次后未出現(xiàn)裂紋的陶瓷材料稱為高抗熱震陶瓷[25]，但此類材料主要用于制作烹飪器皿，不適合用于工業(yè)及其他領(lǐng)域。用同一種方法表征陶瓷材料的抗熱震性能時，不同學(xué)者得到不同材料的抗彎強(qiáng)度保持率、臨界熱震溫差等表征范圍不一致，基本認(rèn)為這些數(shù)據(jù)越大，陶瓷材料的抗熱震性能越好。目前在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中陶瓷材料的抗熱震性主要用室溫下殘余抗彎強(qiáng)度為初始強(qiáng)度70%時的熱震溫差來表征[15]，但此方法難以真實(shí)反映高溫環(huán)境下熱沖擊對陶瓷材料力學(xué)性能的影響。因此，開發(fā)出準(zhǔn)確和簡便的表征方法是目前研究陶瓷材料抗熱震性急需解決的問題。

3 提高抗熱震性的方法

3.1 補(bǔ)強(qiáng)增韌

根據(jù)熱應(yīng)力斷裂理論，當(dāng)材料受到的熱應(yīng)力大于其斷裂強(qiáng)度時，材料將會斷裂，因此提高材料的強(qiáng)度可提高材料的抗熱震性。目前提高陶瓷材料強(qiáng)度的方法主要包括工藝優(yōu)化和第二相增強(qiáng)[26]。工藝優(yōu)化是指優(yōu)化陶瓷制備工藝，減少陶瓷的內(nèi)部缺陷，從而達(dá)到增強(qiáng)效果的方法；第二相增強(qiáng)是指在陶瓷基體中引入第二相，利用第二相與基體之間的性能匹配度不同而對基體起到強(qiáng)化作用的方法。相較于工藝優(yōu)化，第二相增強(qiáng)的效果更明顯。增強(qiáng)補(bǔ)韌的主要途徑包括顆粒增強(qiáng)、相變增韌、纖維或晶須增韌以及復(fù)合增韌等[27]，常用的第二相包括氧化物顆粒(如氧化鋁等)、非氧化物顆粒(如碳化物等)以及金屬或金屬間化合物顆粒。

3.1.1 顆粒增強(qiáng)

當(dāng)陶瓷材料受到外力作用導(dǎo)致裂紋萌生并擴(kuò)展時，第二相顆粒的釘扎作用可以使裂紋尖端在顆粒處發(fā)生彎曲而產(chǎn)生線張力，從而提高斷裂能；根據(jù)熱沖擊損傷理論，第二相顆?？梢援a(chǎn)生增強(qiáng)增韌效果。呂珺等[28]研究發(fā)現(xiàn)，Al2O3陶瓷的熱震溫差為300 ℃時，殘余抗彎強(qiáng)度保持率僅為22%，而在Al2O3陶瓷中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)25% TiC顆粒后，熱震溫差升高至800 ℃后，殘余抗彎強(qiáng)度保持率卻達(dá)到64%，彌散分布的TiC顆粒對裂紋起到釘扎作用，對基體晶粒的長大起到阻礙作用，從而提高了陶瓷的強(qiáng)度。李家茂等[29]在Al2O3陶瓷中加入MnO2、MgO等顆粒后，陶瓷的抗熱震性和致密性能明顯提高。MANSHOR等[30]在ZTA(ZrO2增韌Al2O3)復(fù)相陶瓷材料中加入TiO2顆粒后，其斷裂韌性、硬度、致密性、抗熱震性能都有所提高。樊傳剛等[31]在ZrO2陶瓷中添加MgO與CaO顆粒制得的復(fù)合陶瓷具有較高的抗彎強(qiáng)度和較理想的抗熱震性。

除了氧化物、碳化物等第二相顆粒外，在陶瓷材料中引入金屬顆粒也可以提高其抗熱震性能。田忠良等[32]研究發(fā)現(xiàn)，未添加銅顆粒的復(fù)相金屬陶瓷經(jīng)過3次熱震循環(huán)后破裂，但添加銅顆粒后經(jīng)10次熱震循環(huán)后仍完好，且隨著銅顆粒添加量的增加，金屬陶瓷的抗熱震性能提高。陶瓷材料基體中的氣孔、晶界、金屬顆粒都對裂紋擴(kuò)展起到阻礙作用，其中金屬顆粒的阻礙作用最顯著[33]。金屬顆粒的加入增加了陶瓷材料中裂紋形核和擴(kuò)展的難度，提高了陶瓷材料的熱導(dǎo)率，降低了材料內(nèi)部的溫度梯度，從而降低了材料內(nèi)部熱應(yīng)力[34]；同時金屬顆粒具有較好的塑性，可降低陶瓷基體的殘余抗彎強(qiáng)度和熱應(yīng)力，從而降低裂紋擴(kuò)展所需的彈性能，進(jìn)而提高抗熱震性。

3.1.2 相變增韌

在陶瓷材料中應(yīng)用最多的相變增韌為ZrO2相變增韌。ZrO2有3種不同的晶體結(jié)構(gòu)，m-ZrO2(單斜相)、t-ZrO2(四方相)和c-ZrO2(立方相)；ZrO2的馬氏體相變主要發(fā)生在單斜晶系與四方晶系之間，當(dāng)t-ZrO2轉(zhuǎn)變到m-ZrO2時，ZrO2晶體的體積會膨脹3%～5%。通過調(diào)整ZrO2相變量的分布區(qū)域，可在一定程度上利用ZrO2的相變體積效應(yīng)，減小熱震應(yīng)變場的應(yīng)變，從而達(dá)到提高抗熱震性的效果。楊威等[35]研究發(fā)現(xiàn)，引入m-ZrO2粉會提高方鎂石-尖晶石材料的致密性，降低強(qiáng)度和彈性模量，并在950 ℃風(fēng)冷熱震循環(huán)3次后得到約26%的彈性模量保持率。王大磊等[36]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，30%時，Al2O3復(fù)相陶瓷的抗熱震指數(shù)比純Al2O3陶瓷分別提高了26.5%，49.6%。陳林林等[37]以質(zhì)量比為70…30的莫來石和Al2O3以及不同含量3Y-ZrO2(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)3% Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2)為原料制備了復(fù)相陶瓷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)3Y-ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，經(jīng)30次熱震循環(huán)后復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度明顯提高，這與ZrO2馬氏體相變所產(chǎn)生的少量體積膨脹可以起到增韌作用有關(guān)，同時熱震循環(huán)后陶瓷中氣孔尺寸和分布更加均勻。徐曉虹等[38]研究了不同含量3Y-ZrO2對剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷抗熱震性能的影響，發(fā)現(xiàn)在加熱至1 100 ℃后水冷的熱震過程中t-ZrO2在熱應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，并因體積膨脹而伴隨微裂紋的產(chǎn)生，微裂紋釋放了陶瓷表面的應(yīng)力，使陶瓷的抗熱震性增強(qiáng)；當(dāng)添加3Y-ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，經(jīng)過30次熱震循環(huán)后，陶瓷的抗彎強(qiáng)度為182.04 MPa，強(qiáng)度損失率為12.96%。范芳等[39]通過添加ZrO2、3Y-ZrO2、8Y-ZrO2對Al2O3-莫來石復(fù)相陶瓷進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)在1 500 ℃保溫30 min后空冷的熱震條件下強(qiáng)度有所提高，未改性復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度增長率最小，經(jīng)過8Y-ZrO2改性的復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度增長率最大，可達(dá)163.9%。趙志鵬等[40]研究了m-ZrO2、t-ZrO2、c-ZrO2對氧化鎂陶瓷抗熱震性的影響，發(fā)現(xiàn)在900 ℃保溫30 min水冷的熱震條件下，未添加ZrO2的陶瓷抗熱震性最差，熱震1次后便出現(xiàn)裂紋，添加m-ZrO2的陶瓷抗熱震性最好，熱震循環(huán)次數(shù)達(dá)到了8次，添加t-ZrO2、c-ZrO2的陶瓷熱震循環(huán)次數(shù)分別為5次和4次?？梢?，在熱震過程中t-ZrO2受熱應(yīng)力作用轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，在此過程中伴隨體積膨脹而使陶瓷產(chǎn)生微裂紋，微裂紋可釋放表面的應(yīng)力，減慢阻止裂紋擴(kuò)展。

3.1.3 纖維和晶須增韌

陶瓷材料中纖維和晶須的增韌機(jī)理主要包括拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋聯(lián)等[41]。HOU等[42]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al2O3陶瓷中引入的ZrO2纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，陶瓷的抗彎強(qiáng)度為613 MPa，熱震循環(huán)次數(shù)達(dá)到29次。楊孟孟等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在ZrO2-莫來石陶瓷中加入SiC纖維后可顯著提高該陶瓷的抗熱震性，熱震循環(huán)次數(shù)高達(dá)50次。馮帥等[44]研究發(fā)現(xiàn)，在Al2O3陶瓷中添加ZrO2纖維后，陶瓷的抗熱震性比純Al2O3陶瓷好，在1 400 ℃循環(huán)空冷條件下其熱震循環(huán)次數(shù)高達(dá)30次。LANG等[45]以Al2O3纖維、釔穩(wěn)定ZrO2為原料制備多孔復(fù)相陶瓷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al2O3纖維體積分?jǐn)?shù)為10%時，復(fù)相陶瓷的斷裂韌度從0.5 MPa·m1/2增加1.2 MPa·m1/2，抗壓強(qiáng)度達(dá)到(100.2±25.4) MPa。胡克艷等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在Al2O3陶瓷中添加莫來石晶須可有效提高其力學(xué)性能，晶須在基體均勻分布并與界面緊密結(jié)合，通過自身牽拉增加斷面表面積，使得表面能增加而消耗斷裂能，從而提高陶瓷的抗熱震性能。

3.2 提高熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率大的材料熱量傳遞快，其內(nèi)部溫度更易分布均勻，從而降低由溫度梯度造成的熱應(yīng)力水平。常見的高熱導(dǎo)率陶瓷有SiC、Si3N4、BeO等。在熱導(dǎo)率相對較低的陶瓷(如Al2O3)中添加熱導(dǎo)率相對較高的材料時，基體的熱導(dǎo)率和抗熱震性都得到顯著提高。張陽等[47]研究發(fā)現(xiàn)，添加SiC后，Sialon陶瓷的抗熱震性得到顯著提高。SiC/Si3N4復(fù)相陶瓷在臨界熱震溫差下的殘余強(qiáng)度比單相Si3N4陶瓷提高了9.6%[48]。熱導(dǎo)率高的石墨、B4C等的添加也可以改善陶瓷材料的抗熱震性。黃啟忠等[49]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)600 ℃水淬熱震試驗(yàn)后，C-B4C-SiC復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度為105.3 MPa，比熱震前提高了41%，復(fù)相陶瓷抗熱震性的提高與熱應(yīng)力釋放和微裂紋增韌補(bǔ)強(qiáng)的協(xié)同作用有關(guān)。

3.3 降低熱膨脹系數(shù)

固體材料的原子熱振動引起材料熱膨脹，原子間的勢能決定原子之間的距離，當(dāng)溫度升高時，原子間的振動加快，導(dǎo)致原子間的距離增大，宏觀表現(xiàn)為材料的膨脹[50]。熱膨脹系數(shù)低的材料在同一溫度范圍變化后的宏觀應(yīng)變量小，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也低[51]。陳桂華等[41]研究發(fā)現(xiàn)，Al2O3-莫來石復(fù)相陶瓷的熱膨脹系數(shù)失配較合理，經(jīng)過1 100 ℃水淬熱震試驗(yàn)后，其抗彎強(qiáng)度保持率達(dá)到51.3%，抗熱震性較好。韓亞苓等[52]研究發(fā)現(xiàn)，將熱膨脹系數(shù)低的莫來石、鈦酸鋁加入到Al2O3陶瓷中能得到更加致密的復(fù)相陶瓷，該陶瓷可承受1 500 ℃空冷的熱震破壞。添加堇青石的Al2O3陶瓷的抗熱震性優(yōu)于純Al2O3陶瓷[53]。ZHANG等[54]研究發(fā)現(xiàn)，在Al2O3陶瓷中加入低熱膨脹系數(shù)的莫來石/堇青石后，復(fù)相陶瓷具有優(yōu)異的抗熱震性，其臨界熱震溫差達(dá)到350 ℃，抗彎強(qiáng)度達(dá)到90～120 MPa，彈性模量為100 GPa。李婷婷[55]以Al2O3、SiO2、Li2CO3、ZrO2為原料于1 350 ℃下燒結(jié)得到β-鋰輝石陶瓷，該陶瓷在900 ℃水淬條件下熱震循環(huán)15次后的殘余抗彎強(qiáng)度大于50 MPa，表現(xiàn)出良好的抗熱震性，這與鋰輝石具有較低的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。

3.4 降低彈性模量

陶瓷材料的彈性模量隨氣孔率的增大而減小[56]，因此可以通過增大氣孔率來降低陶瓷材料的的彈性模量，但氣孔率增加又會導(dǎo)致陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度降低，而平衡彈性模量與氣孔率之間的關(guān)系需要進(jìn)行大量試驗(yàn)[57]。SHEN等[58]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱震溫差為1 180 ℃時，多孔Si3N4陶瓷的抗彎強(qiáng)度保持率為23%，這是因?yàn)榭紫犊梢宰柚沽鸭y擴(kuò)展，改變裂紋擴(kuò)展路徑，使得裂紋只能在相對較短的距離內(nèi)以靜態(tài)方式擴(kuò)展。江濤等[59]研究發(fā)現(xiàn)，BN/B4C復(fù)相陶瓷具有較低的彈性模量和較高的抗彎強(qiáng)度，其抗熱震性優(yōu)于單相B4C陶瓷，臨界熱震溫差由300 ℃上升到500～600 ℃。

4 影響抗熱震性的外部因素

陶瓷材料的抗熱震性不僅與材料本身的力學(xué)性能(斷裂韌性、抗彎冷卻強(qiáng)度、彈性模量等)、導(dǎo)熱性能(熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率)、微觀結(jié)構(gòu)、物相組成等有關(guān)，還與試樣尺寸、冷卻介質(zhì)溫度、冷卻方式等外部因素相關(guān)[15]。

對于同一種陶瓷材料，試樣的厚度對其抗熱震性有重要影響，SHERMAN等[60]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al2O3陶瓷試樣的厚度由6 mm降至1 mm時，抗熱震溫差由200 ℃升至270 ℃，這是因?yàn)樵跓嵴鹪囼?yàn)時厚度較小的試樣溫度可以較快達(dá)到平衡，由溫度差所造成的熱應(yīng)力較小。GLANDUS等[61]研究發(fā)現(xiàn)：對于體積較大的陶瓷試樣，隨著試樣體積的增大，陶瓷材料的臨界熱震溫差降低；而對于體積較小的試樣，臨界熱震溫差保持在180 ℃左右。但ZENG等[62]通過有限元與熱力學(xué)行為相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)試樣形狀對ZrB2陶瓷的抗熱震性無明顯影響。有限元計(jì)算結(jié)果受抗熱震理論模型和數(shù)學(xué)模型的直接影響，目前抗熱震理論的研究還極不完善，因此在利用有限元方法來預(yù)測材料的抗熱震性時還存在較多的問題。

LI等[63]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度在5～100 ℃范圍時，陶瓷材料的抗熱震性對冷卻介質(zhì)的溫度非常敏感，這與陶瓷材料的冷卻能力有關(guān)。李定玉[15]研究發(fā)現(xiàn)，與在縱向入水姿勢條件下的熱震試驗(yàn)相比，在橫向入水姿勢條件下熱震試驗(yàn)后，Al2O3陶瓷中產(chǎn)生的裂紋較少，平均殘余抗彎強(qiáng)度較高，臨界熱震溫差較高，抗熱震性能較好，這是因?yàn)榭v向入水時先入水的部分將周邊水加熱，后入水部分入水淬火時周邊水更容易汽化，從而帶走較多的熱量，導(dǎo)致試樣與水之間的表面熱交換系數(shù)較大，因此試樣受到的熱震破壞更嚴(yán)重。

5 結(jié)束語

陶瓷材料的抗熱震性是衡量其使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，陶瓷材料的抗熱震性理論主要包括熱應(yīng)力斷裂理論、熱沖擊損傷理論以及二者相結(jié)合得到的熱應(yīng)力裂紋穩(wěn)定性因子理論等?？篃嵴鹦缘谋碚鲄?shù)主要包括陶瓷材料熱震后的抗彎強(qiáng)度保持率和抗彎強(qiáng)度損失率以及臨界熱震溫差、R參數(shù)、彈性模量等。不同學(xué)者得到不同材料的抗彎強(qiáng)度保持率、臨界熱震溫差等表征范圍不一致，且難以真實(shí)反映高溫環(huán)境下熱沖擊對陶瓷材料力學(xué)性能的影響，因此開發(fā)準(zhǔn)確和簡便的表征方法是目前研究陶瓷材料抗熱震性急需解決的問題。提高陶瓷材料抗熱震性的方法主要包括補(bǔ)強(qiáng)增韌、提高熱導(dǎo)率、降低熱膨脹系數(shù)、降低彈性模量等，同時試樣尺寸、冷卻介質(zhì)溫度、溫度作用方式等外部因素也會影響陶瓷材料的抗熱震性。

隨著抗熱震評介理論的發(fā)展和新型陶瓷制備技術(shù)、設(shè)備的出現(xiàn)，高性能抗熱震陶瓷材料的設(shè)計(jì)將成為可能。近年來，為了提高陶瓷材料的抗熱震性，層狀陶瓷和梯度功能陶瓷的概念受到了越來越廣泛的關(guān)注。通過使陶瓷材料的組分和性能呈梯度變化，改變材料內(nèi)部的應(yīng)力分布，讓陶瓷層間的裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉[64]，可以有效提高材料的抗熱震性能，因此層狀陶瓷和梯度功能陶瓷或?qū)⒊蔀槲磥淼难芯糠较颉?/p>