抗熱震氧化鋁陶瓷是這樣煉成的

　　材料的抗熱震性是指材料在承受溫度突然快速變化時抵抗破壞的能力，熱震破壞是一種普遍的現象，例如冬天在玻璃杯中倒入開水，杯子因承受不了溫度急劇變化而炸裂破壞。在許多工業應用場合，材料的抗熱震性能起著決定性的作用，主要是因為在工作過程中快速的加熱和冷卻產生的熱應力可能會導致器件的損壞甚至災難性的故障。

　　氧化鋁陶瓷具有高強度、高硬度及良好的抗氧化和化學穩定性，是一種用途廣泛的工程陶瓷，被廣泛應用于被廣泛應用于冶金、機械、航空、航天等領域。但氧化鋁基陶瓷材料是以離子鍵或共價鍵結合，位錯勢壘很高，材料脆性大，難以承受劇烈的熱沖擊，即其抗熱震性較差。熱沖擊斷裂與損傷是工程陶瓷材料失效的主要方式之一，也是評價工程陶瓷材料使用性能的一項重要性能指標，研究陶瓷材料的抗熱震性能對于實際使用具有非常重要的意義。

　　01影響氧化鋁抗熱震性能的要素

　　抗熱震性是材料的力學性能和熱學性能的綜合表現，與材料本身的物理性質有關。因此，一些熱學和力學參數，如熱膨脹系數、熱導率、彈性模量、斷裂能是影響陶瓷抗熱震性的主要參數。改善陶瓷材料抗熱沖擊性的主要途徑，就是增加材料的斷裂能和熱傳導能力，降低材料的彈性模量和熱膨脹系數。

　　為了達到如上目的，在氧化鋁陶瓷基體中引入適當、適量的第二相是一種有效方法。引入的第二相既可以是非金屬材料，又可以為金屬材料，引入形式既可是顆粒，也可是晶須、纖維或溶膠。

　　另有研究指出，除了陶瓷的材料屬性，陶瓷的兩個外部因素，即特征尺寸和溫差，在陶瓷的熱震失效中起了關鍵作用。例如，陶瓷的抗熱震性隨特征尺寸的增加而減少，而在較高的溫差下陶瓷更容易發生熱震失效。文獻2的研究工作表明，只要該材料的尺寸變得比尺寸極限小，或溫度差小于臨界溫差，陶瓷將對熱震不敏感。

　　02可以提升氧化鋁抗熱震的第二相材料

　　1、氧化鋯

　　將氧化鋯添加到氧化鋁陶瓷中，可以提高陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性，第二相顆粒彌散強化、四方氧化鋯應力誘導相變增韌和微裂紋增韌是提高氧化鋁陶瓷力學性能的主要機理。

　　解析：將氧化鋯添加到氧化鋁陶瓷中，不但能增韌補強，還能提高陶瓷的抗熱震性能。氧化鋯存在單斜（ｍ）、四方（ｔ）和立方（ｃ）三種晶型，且三種晶型的熱膨脹系數不同。當ｔ-氧化鋯向ｍ-氧化鋯發生馬氏體相變時，體積發生膨脹，這種體積效應能夠緩解熱震時產生的熱應力，削弱裂紋擴展的驅動力；同時相變的剪切應力和體積膨脹對基體產生壓應變，可抑制主裂紋的擴展，因而提高了斷裂韌性和強度，從而有利于提高氧化鋁陶瓷的抗熱震性。此外，添加到氧化鋁陶瓷中的氧化鋯顆粒分布在基體氧化鋁顆粒的晶界處，當裂紋擴展遇到氧化鋯顆粒時，由于釘扎效應可以使裂紋終止或偏轉，甚至可使氧化鋁陶瓷由沿晶斷裂模式變為沿晶斷裂與穿晶斷裂混合的斷裂模式，提高了陶瓷斷裂臨界應力，宏觀上表現為氧化鋁陶瓷強度的提高，從而有利于提高其抗熱震性。

　　2、稀土化合物

　　稀土化合物常常作為添加劑應用在氧化鋁陶瓷中，應用最多的是稀土氧化物，其次為稀土鹵化物，由于稀土氧化物具有特殊的物理和化學性能，故已被用于提高氧化鋁陶瓷性能方面。

　　3、低熱膨脹系數組元

　　在氧化鋁陶瓷中添加堇青石、莫來石、紅柱石、鈦酸鋁、鋰霞石等具有較低熱膨脹系數或負膨脹系數的組元，可以降低陶瓷的熱膨脹系數，從而有利于提高陶瓷的抗熱震性。

　　4、高熱導率組元

　　在氧化鋁陶瓷中添加SiC、金屬顆粒等具有較高熱導率的組元，可提高陶瓷熱導率，減小陶瓷在淬冷過程中的瞬間溫度梯度，從而減小陶瓷經歷熱震循環后受到的熱應力，有利于提高陶瓷的抗熱震性。

　　5、六方氮化硼

　　氮化硼存在立方（c-BN）和六方（h-BN）兩種結構，c-BN具有卓越的硬質指標，將c-BN引入到氧化鋁陶瓷中可以提升氧化鋁陶瓷的硬度，顯著降低陶瓷的磨損率。

　　不同于c-BN，h-BN的熱膨脹系數和彈性模量較低而熱導率較高，且具有結構和形狀上的各向異性，因而具有較好的抗熱震性。眾多研究表明，以h-BN復合氧化鋁陶瓷可制備具有優秀抗熱震性能的復合陶瓷材料。

　　綜上，在氧化鋁陶瓷中添加一種或兩種及兩種以上的第二相構成二元、三元或多元復合陶瓷可以改善氧化鋁陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性、彈性模量等力學性能或熱膨脹系數、熱導率等熱學性能，從而起到改善單相氧化鋁陶瓷抗熱震性能的作用。

　　在添加第二相時，應綜合考慮抗熱震性能與力學性能、熱學性能之間的關系。過多的添加某種第二相可能會造成氧化鋁陶瓷力學性能的降低，影響陶瓷的使用范圍。因此，一方面應控制第二相的添加量，采用合理適當的添加量使氧化鋁陶瓷獲得最佳綜合性能；另一方面也可添加兩種或兩種以上的第二相，采用性能互補的方式來整體提高氧化鋁陶瓷的抗熱震的性能。

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