陶瓷材料熱穩(wěn)定性小論文作業(yè)

陶瓷材料的熱穩(wěn)定性摘要：熱穩(wěn)定性是陶瓷材料重要的物理性能之一，極大地影響了陶瓷材料的可靠性，限制了其工程應(yīng)用的范圍。提高陶瓷的抗熱震性一直是無機材料工作者致力于解決的領(lǐng)域。本文從熱穩(wěn)定性的本質(zhì)出發(fā)，分析了影響陶瓷熱穩(wěn)定性的因素和提高熱穩(wěn)定性能的方法和途徑。正文：作為一種功能或是結(jié)構(gòu)材料，陶瓷在加工和使用過程中經(jīng)常面臨著從極高的溫度環(huán)境到低溫環(huán)境的變化，由此而受到較強的溫度起伏沖擊。不同的材料由于使用環(huán)境和要求的不同，所面臨的熱沖擊程度也不盡相同。例如一般的日用瓷只需要承受100K左右的熱沖擊，而對于一些運用到航天設(shè)備上的材料，則需要能夠承受高達3000K~4000K的溫差變化。因此，抗熱沖擊性能是材料在工程運用中一個起著關(guān)鍵作用的性能，是陶瓷其他高溫性能能夠充分發(fā)揮的保證。一、材料熱穩(wěn)定性的相關(guān)理論基礎(chǔ)同其他的脆性材料一樣，陶瓷材料的熱穩(wěn)定性普遍較差。在這里，我們將材料抵抗溫差驟變而不至于發(fā)生破壞的能力稱為熱穩(wěn)定性或是抗熱震性。熱穩(wěn)定性是材料熱學(xué)性能和力學(xué)性能的一個耦合性能，是熱學(xué)性能和力學(xué)性能優(yōu)劣的綜合體現(xiàn)。材料的熱沖擊破壞一般分為兩大類型，一類是熱沖擊作用下的瞬時斷裂，另一類是熱沖擊作用下的開裂、剝落直至整體損壞的熱震損傷。對于熱沖擊瞬時斷裂，比較成熟的理論支持有基于熱彈性理論的臨界應(yīng)力斷裂理論。其認為，材料受到熱沖擊而發(fā)生斷裂，是熱應(yīng)力的作用。當(dāng)熱震溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力δH大于材料本身的固有強度δf時，即δH>δf時，材料就會發(fā)生熱震斷裂。熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要有以下幾類：第一類熱應(yīng)力：主要是指材料體內(nèi)部膨脹和體積變化引起的熱應(yīng)力。對于多晶體和多晶材料，由于各相異性的原因，導(dǎo)致在受熱過程中各晶粒和晶相膨脹方向與系統(tǒng)的各個部分不一樣，這樣便會在材料的內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。同樣的，第一類熱應(yīng)力也包括了由于晶型轉(zhuǎn)變體積變化而引起的熱應(yīng)力。第二類熱應(yīng)力：主要是指由于溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。當(dāng)穩(wěn)定或是非穩(wěn)定熱流通過陶瓷材料是，由于熱流本身的不穩(wěn)定性、材料的形狀或是傳熱特性而導(dǎo)致的材料溫度的分布不均，產(chǎn)生溫度梯度，引起熱應(yīng)力。第三類熱應(yīng)力：主要是指材料膨脹受到抑制而產(chǎn)生的應(yīng)力。由于外力的作用，限制了陶瓷材料的自由膨脹，由此產(chǎn)生了應(yīng)力。這種情況如發(fā)生在隧道窯窯壁、旋轉(zhuǎn)窯襯里、金屬襯上的陶瓷涂層中的應(yīng)力。在受熱或是冷卻的過程中，物體產(chǎn)生多大的熱應(yīng)力取決于材料內(nèi)部的溫度梯度分布。其受到材料本身的特征性質(zhì)、所處于的熱環(huán)境、熱處理工藝過程和材料的幾何形狀特征等所共同作用。如果假設(shè)材料的幾何形狀和受到的熱處理工藝過程恒定已知，則材料受到的最大熱應(yīng)力可表示為其本身特征性質(zhì)的函數(shù)和所處于的熱環(huán)境的函數(shù)，可表示為：δmax=f(m)·P(T)其中m表示材料的特征參數(shù)，如熱學(xué)性能、力學(xué)性能等；T表示材料所處的熱環(huán)境，如溫差、升溫速率等。當(dāng)最大熱應(yīng)力等于材料的固有強度時，即δmax=δf時，P(T)c被稱為臨界溫度函數(shù)，其表征材料在本征性能的基礎(chǔ)上，材料抵御外界熱環(huán)境破壞的能力，即：P(T)c=δf／f(m)臨界溫度函數(shù)是陶瓷材料抗熱震斷裂能力的度量，可用材料的力學(xué)、熱學(xué)性能來進行描述，用抗熱震參數(shù)R來表示。根據(jù)熱處理條件和差異和影響因素的不同，R的表達式也有所區(qū)別。第一抗熱震參數(shù)R1R1=δf（1-υ）／EαΔTmax=R1R1是用允許的最大溫差變化來衡量材料的抗熱震沖擊能力，僅考慮材料膨脹或是收縮引起的熱應(yīng)力。第二抗熱震參數(shù)R2R2=κδf（1-υ）／Eα=κR1ΔTmax=R2／(0.31rmh)R2也是用允許的最大溫差變化來衡量材料的抗熱震沖擊能力，考慮了材料的幾何形狀rm和熱散情況h對熱應(yīng)力的影響。第三抗熱震參數(shù)R3R3=κδf（1-υ）／(EαCpρ)(dT／dt)max=3R3／rmR3用材料所能承受的最大冷卻速率來衡量其抗熱震沖擊能力，表明降低材料的摩爾熱容和密度有利于提高材料的熱穩(wěn)定性。對于熱沖擊循環(huán)作用下的熱震損傷現(xiàn)象，可以用基于斷裂力學(xué)的熱震損傷理論來解釋。其重點內(nèi)容是以熱彈性應(yīng)變能W和材料的斷裂能U之間的平衡條件作為熱震破壞的依據(jù)。當(dāng)W》U時，材料的熱彈性應(yīng)變能足夠支付裂紋成核和擴展而新生的表面所需的能量時，裂紋就得以形成和長大，從而導(dǎo)致了宏觀上材料的熱震損傷?？篃嵴饟p傷理論強調(diào)對已有裂紋擴展的抑制，從阻止裂紋的擴展來避免材料的熱應(yīng)力損傷。同樣，有兩個抗熱震損傷參數(shù)被用來表征材料的抗熱震損傷能力。當(dāng)材料的斷裂表面能相同時R4=E／δf2(1-當(dāng)材料的斷裂表面能不同時R5=2μE／δf2(1-從R4和R5可以得出，抗熱震損傷的材料應(yīng)具有盡可能高的彈性模量和低的強度，此外，增大材料的斷裂能、改善材料的斷裂韌性都有助于提高材料的抗熱震損傷能力。比較R1到R5可以發(fā)現(xiàn)，對于材料的抗熱震斷裂和抗熱震損傷，要求材料有截然相反的性能。材料如果要求有高的抗熱震斷裂性，則要求有較低的彈性模量、熱膨脹系數(shù)和較高的強度；而如果對抗熱震損傷性能有較高要求，則材料必須有較高的彈性模量和較低的強度。因此，在設(shè)計材料的性能時，要以材料所使用的環(huán)境來調(diào)整材料的參數(shù)，以獲得最合適的性能。二、陶瓷材料熱穩(wěn)定性的測試與表征：1、耐火材料：將試樣一端加熱到一定的溫度（1123+15K）并保溫40min，然后放到50mm深10~20℃的流動水中3min或置于空氣中5~10min。重復(fù)這一過程至試件失重20%，用操作的次數(shù)來表征耐火材料的穩(wěn)定性。2、日用陶瓷：以一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度并重復(fù)到水中急冷直至試樣被觀察到發(fā)生龜裂，以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度來表征瓷的抗熱震性。3、陶瓷磚：陶瓷磚的抗熱震性的測定是用整磚在15℃和145℃兩種溫度之間進行10次循環(huán)試驗。在低溫下保持5min后，立即將試樣移至145℃±5℃的烘箱內(nèi),145℃保溫20min，然后立即將它們移回低溫環(huán)境中。重復(fù)此過程10次循環(huán)，試樣表面應(yīng)無明顯可見缺陷。4、工程陶瓷：（1）強度法：加熱試樣并在水中驟冷后測彎曲強度，得出彎曲強度不明顯下降的最大溫差△T。（2）探傷法：試樣經(jīng)加熱并在水中聚冷后，采用滲透探傷，得出試樣不產(chǎn)生開裂所承受的最大溫差△T。三、改善材料的熱穩(wěn)定性材料的抗熱震性與其熱學(xué)性能（熱導(dǎo)率、熱膨脹率）和力學(xué)性能（強度、彈性模量、斷裂韌性、泊松比）有關(guān)。從上述內(nèi)容我們可以得到，要提高材料的抗熱震斷裂性能可以從以下方面進行改善：（1）提高材料固有強度δf，降低彈性模量E（2）提高熱導(dǎo)率κ（3）降低熱膨脹系數(shù)α（4）降低表面熱傳遞系數(shù)h（5）減少產(chǎn)品的有效厚度rm提高材料的抗熱震損傷性而可以采取以下措施：（1）降低材料固有強度δf，提高彈性模量E（2）增大材料的斷裂能（3）改善材料的斷裂韌性在實際的工藝操作過程中，則主要是材料組分的選擇、顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱處理工藝的調(diào)整來對相關(guān)參數(shù)進行控制，從而得到合適的抗熱震性。1、材料的成分及相組成的選擇不同組分的材料其熱學(xué)性能和力學(xué)性能存在很大的差異，要想獲得良好的熱穩(wěn)定性，對組分的選擇很重要。如有的材料具有較低的熱膨脹性，如石英玻璃、鋰輝石和氮化硼；有的材料具有較高的熱導(dǎo)率，如石墨、碳化硅、氧化鈹、氮化硅；有的材料具有較高的彈性模量，如碳化硅、氮化鋁和氮化硅。根據(jù)需要的性能，選擇具有合適性能的組分進行搭配，是材料的制備中最基本最關(guān)鍵。2、顯微結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）隨著晶粒尺寸的增大，材料的熱震斷裂的破壞形式也隨之得到改善，熱穩(wěn)定也得到提高。（2）氣孔或微裂紋：大小均勻且彌散分布的氣孔作為既存裂紋能夠分散消耗熱彈性應(yīng)變能。圓滑的氣孔內(nèi)壁還有助于松弛應(yīng)力，改善材料的熱穩(wěn)定性。但是，在氣孔總量和其他微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，氣孔增大會降低材料抵抗熱震起始裂紋的能力。（3）增韌增強纖維的形式、排布將短炭纖維、第二相陶瓷顆?；蚴蔷ы毺砑拥轿镔|(zhì)中，在不明顯增大膨脹系數(shù)的情況下，通過改善材料的強韌性而提高熱穩(wěn)定性。連續(xù)纖維對提高復(fù)合材料的斷裂韌性、斷裂能的作用更加明顯。利用長纖維增韌時，采用三相或是多相的復(fù)雜編制體結(jié)構(gòu)，可以改善材料的各向同性性能，提高材料的熱穩(wěn)定性。3、材料的熱處理與表面處理通過熱處理，控制和優(yōu)化材料整體的相組成和晶粒形態(tài)，從提高材料的強度、改善熱傳導(dǎo)特性的角度來提高材料的抗熱震性。通過表面處理來改變材料的表面組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等，改變表面的應(yīng)力狀態(tài)、表層的熱學(xué)力學(xué)性能，提高材料的熱穩(wěn)定性。結(jié)論：材料的熱穩(wěn)定性很大程度上降低了陶瓷材料的可靠性，制約了其在工程上的使用?，F(xiàn)在，隨著科研的不斷深入發(fā)展，材料的穩(wěn)定性已經(jīng)得到了明顯的提高。但是作為一種脆性材料，熱穩(wěn)定性的不足是受到材料的組成和結(jié)構(gòu)的影響的，是陶瓷材料的固有缺陷。隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展和對影響材料熱穩(wěn)定性因素條件的深入剖析，我們期盼