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脆性是無(wú)機(jī)非金屬材料的一個(gè)共同的致命的弱點(diǎn)，陶瓷的脆性，其直觀表現(xiàn)是：在外加負(fù)荷下，斷裂是無(wú)先兆的，暴發(fā)的。間接表現(xiàn)是:抗機(jī)械沖擊性和溫度急變性差。

脆性，也是衡量陶瓷材料性能的重要特征之一，是陶瓷材料的致密弱點(diǎn)。

 

陶瓷脆性的本質(zhì)主要由化學(xué)鍵性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)所決定，在陶瓷中缺少獨(dú)立的滑移系，材料一旦處于受力狀態(tài)就難于通過(guò)滑移所引起的塑性形變來(lái)松弛應(yīng)力。從顯微結(jié)構(gòu)上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應(yīng)力高度集中，繼而微裂紋擴(kuò)展以致斷裂。

 

 

 

陶瓷材料的脆性特征：

 

1、共價(jià)鍵特征

陶瓷材料中組成化學(xué)鍵的原子間有許多空隙，難以引起位錯(cuò)的移動(dòng)。

 

共價(jià)鍵有方向性，會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有較高的抗畸變和阻礙唯一運(yùn)動(dòng)的能力。

 

2、顯微結(jié)構(gòu)特征

 

陶瓷材料屬于多晶體，為多相結(jié)構(gòu)，它的晶界會(huì)阻礙位移，聚集的位移會(huì)引起裂紋的形成，加上實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中點(diǎn)、線、面缺陷的存在，且其內(nèi)部還存在顯微和亞顯微裂紋，其結(jié)構(gòu)上的不均勻性更是在所難免。

 

此外，晶界、氣孔、晶相、二相夾雜以及裂紋等顯微結(jié)構(gòu)因素，都能導(dǎo)致陶瓷材料呈現(xiàn)脆性。

 

3、無(wú)塑變特征

 

常溫下大多數(shù)陶瓷材料在外力作用下沒(méi)有或只有很小的塑性變形，這就導(dǎo)致陶瓷材料斷裂時(shí)都比較突然，即呈現(xiàn)出脆性。

 

 

脆性斷裂是當(dāng)材料受力后將在低于其本身結(jié)合強(qiáng)度的情況下作應(yīng)力再分配，而外加應(yīng)力的速率超過(guò)應(yīng)力再分配的速率時(shí)沒(méi)有其它吸收能量的過(guò)程，應(yīng)力無(wú)法松弛，則集中用于裂紋的擴(kuò)展上，使得擴(kuò)展速度十分迅速，最終導(dǎo)致突發(fā)性破壞。

 

脆性斷裂是裂紋擴(kuò)展的終結(jié)。

 

 

顯微結(jié)構(gòu)與脆性的關(guān)系：

 

1、晶粒尺寸與裂紋

 

由于陶瓷制備工藝的復(fù)雜性，晶內(nèi)裂紋的存在幾乎不可避免，減少晶粒尺寸可以使陶瓷材料脆性得到改善。

 

晶粒尺寸減小，晶粒增多，會(huì)加大裂紋擴(kuò)展的阻力。

 

細(xì)晶粒的應(yīng)力集中效應(yīng)比粗晶粒小。

 

粗晶粒的彈性和熱性各向異性往往會(huì)導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)，使得內(nèi)應(yīng)力加大、斷裂能降低。

 

2、氣孔率與裂紋

 

陶瓷材料的強(qiáng)度、彈性模量隨氣孔率的增大而減小。氣孔的增多會(huì)使材料的密度下降，即減少了負(fù)荷面積。氣孔存在于晶界處會(huì)引起應(yīng)力集中，在外力作用下易形成裂紋。

 

氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，氣孔間距縮短，有利于裂紋的形成與擴(kuò)展，增加材料的脆性。

 

多相交界處的氣孔，本身便相當(dāng)于裂紋。

 

3、晶界與裂紋

 

對(duì)由單一晶相組成的陶瓷材料，在外力作用下擴(kuò)展的裂紋遇到晶界往往會(huì)中止，若晶界上有氣孔且應(yīng)力集中，則裂紋會(huì)沿著晶界伸長(zhǎng)。多晶材料晶界相中的雜質(zhì)及第二相晶粒，有時(shí)因其脆性和各向異性引起應(yīng)力即成為裂紋傳播的途徑，有時(shí)因有高的能壘而起著阻止裂紋擴(kuò)展的作用。

 

 

陶瓷材料脆性的幾種常見解決措施

 

1、增大微晶數(shù)量，提高瓷體密度與純度

 

①提高原料微粉質(zhì)量。在滿足其它工藝要求的前提下，使粉體盡可能細(xì)化，粒子的大小與形狀均一，化學(xué)純度與相結(jié)構(gòu)單一性好。

 

②科學(xué)選擇燒結(jié)溫度，選擇最佳工藝條件，防止晶粒長(zhǎng)大。

 

③確定適當(dāng)添加物和加入量，抑制晶粒異常長(zhǎng)大，促進(jìn)致密化。

 

 

2、相變?cè)鲰g

 

通過(guò)控制陶瓷體內(nèi)的相變來(lái)克服陶瓷脆性。即利用相變時(shí)發(fā)生的體積變化，減少裂紋尖端集中的應(yīng)力，從而達(dá)到改善陶瓷脆性的目的。

 

 

3、復(fù)合材料增韌

 

在陶瓷基體中加入另一種粒子材料或纖維材料形成復(fù)合材料來(lái)增韌。

 

粒子的塑性變形可以吸收一部分能量，從而使裂紋尖端區(qū)域高度集中的應(yīng)力得以

 

部分消除，提高材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗力。

 

高強(qiáng)度、高模量的纖維既能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力，又可阻止基體內(nèi)裂紋的擴(kuò)展。

 

 

4、預(yù)加應(yīng)力

 

通過(guò)適當(dāng)加熱、冷卻的工藝方法在材料表面人為的引入殘余壓力可以提高材料的抗張強(qiáng)度，改善材料的脆性。

 

這種方法不僅在表面造成壓應(yīng)力，還可使晶粒細(xì)化。

 

5、工藝優(yōu)化

 

合理控制工藝條件，盡可能使陶瓷結(jié)構(gòu)均勻致密，減少氣孔，減少裂紋，改善脆性。