材料的抗热震性是什么 如何提高氧化铝陶瓷抗热震的性能

抗热震性，指材料在承受急剧温度变化时，评价其抗破损能力的重要指标。各测试值之间越接近，精密度就越高。反之，精密度就越低抵抗损伤的能力。曾称热稳定性，热震稳定性，抗热冲击性，抗温度急变性，耐急冷急热性等。

又称抗热冲击性，俗称热稳定性。材料及其制品抵抗温度激烈变化不至损坏或破坏的性能。材料及其制品承受温度激烈变化而引起内部温度梯度时，在材料内部会因收缩或膨胀受阻产生热应力，当热应力超过材料强度极限时，产生开裂、破坏和机械强度降低等现象。抗热震性与材料的机械强度、弹性模量、热膨胀系数、热导率、比热容、体积密度、结构均匀性及表面传热系数有关；对于制品来说，还与形状、厚薄有关。

材料的抗热震性是指材料在承受温度突然快速变化时抵抗破坏的能力，热震破坏是一种普遍的现象，例如冬天在玻璃杯中倒入开水，杯子因承受不了温度急剧变化而炸裂破坏。在许多工业应用场合，材料的抗热震性能起着决定性的作用，主要是因为在工作过程中快速的加热和冷却产生的热应力可能会导致器件的损坏甚至灾难性的故障。

氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度及良好的抗氧化和化学稳定性，是一种用途广泛的工程陶瓷，被广泛应用于被广泛应用于冶金、机械、航空、航天等领域。但氧化铝基陶瓷材料是以离子键或共价键结合，位错势垒很高，材料脆性大，难以承受剧烈的热冲击，即其抗热震性较差。热冲击断裂与损伤是工程陶瓷材料失效的主要方式之一，也是评价工程陶瓷材料使用性能的一项重要性能指标，研究陶瓷材料的抗热震性能对于实际使用具有非常重要的意义。

一、影响氧化铝抗热震性能的要素

抗热震性是材料的力学性能和热学性能的综合表现，与材料本身的物理性质有关。因此，一些热学和力学参数，如热膨胀系数、热导率、弹性模量、断裂能是影响陶瓷抗热震性的主要参数。改善陶瓷材料抗热冲击性的主要途径，就是增加材料的断裂能和热传导能力，降低材料的弹性模量和热膨胀系数。

为了达到如上目的，在氧化铝陶瓷基体中引入适当、适量的第二相是一种有效方法。引入的第二相既可以是非金属材料，又可以为金属材料，引入形式既可是颗粒，也可是晶须、纤维或溶胶。

另有研究指出，除了陶瓷的材料属性，陶瓷的两个外部因素，即特征尺寸和温差，在陶瓷的热震失效中起了关键作用。例如，陶瓷的抗热震性随特征尺寸的增加而减少，而在较高的温差下陶瓷更容易发生热震失效。文献2的研究工作表明，只要该材料的尺寸变得比尺寸极限小，或温度差小于临界温差，陶瓷将对热震不敏感。

图：氧化铝球的水淬试验结果:不同尺寸球体的表面热震裂纹，半径分别为2.10，1.00，0.56，0.35和0.11mm（从顶部到底部），在热震温差分别为(a)-280K；(b)-380K；(c)-580K；(d)-780K和(e)-1280K的情况下。

二、可以提升氧化铝抗热震的第二相材料

1、氧化锆

将氧化锆添加到氧化铝陶瓷中，可以提高陶瓷的抗弯强度和断裂韧性，第二相颗粒弥散强化、四方氧化锆应力诱导相变增韧和微裂纹增韧是提高氧化铝陶瓷力学性能的主要机理。

解析：将氧化锆添加到氧化铝陶瓷中，不但能增韧补强，还能提高陶瓷的抗热震性能。氧化锆存在单斜（ｍ）、四方（ｔ）和立方（ｃ）三种晶型，且三种晶型的热膨胀系数不同。当ｔ-氧化锆向ｍ-氧化锆发生马氏体相变时，体积发生膨胀，这种体积效应能够缓解热震时产生的热应力，削弱裂纹扩展的驱动力；同时相变的剪切应力和体积膨胀对基体产生压应变，可抑制主裂纹的扩展，因而提高了断裂韧性和强度，从而有利于提高氧化铝陶瓷的抗热震性。此外，添加到氧化铝陶瓷中的氧化锆颗粒分布在基体氧化铝颗粒的晶界处，当裂纹扩展遇到氧化锆颗粒时，由于钉扎效应可以使裂纹终止或偏转，甚至可使氧化铝陶瓷由沿晶断裂模式变为沿晶断裂与穿晶断裂混合的断裂模式，提高了陶瓷断裂临界应力，宏观上表现为氧化铝陶瓷强度的提高，从而有利于提高其抗热震性。

2、稀土化合物

稀土化合物常常作为添加剂应用在氧化铝陶瓷中，应用最多的是稀土氧化物，其次为稀土卤化物，由于稀土氧化物具有特殊的物理和化学性能，故已被用于提高氧化铝陶瓷性能方面。

3、低热膨胀系数组元

在氧化铝陶瓷中添加堇青石、莫来石、红柱石、钛酸铝、锂霞石等具有较低热膨胀系数或负膨胀系数的组元，可以降低陶瓷的热膨胀系数，从而有利于提高陶瓷的抗热震性。

4、高热导率组元

在氧化铝陶瓷中添加SiC、金属颗粒等具有较高热导率的组元，可提高陶瓷热导率，减小陶瓷在淬冷过程中的瞬间温度梯度，从而减小陶瓷经历热震循环后受到的热应力，有利于提高陶瓷的抗热震性。

5、六方氮化硼

氮化硼存在立方（c-BN）和六方（h-BN）两种结构，c-BN具有卓越的硬质指标，将c-BN引入到氧化铝陶瓷中可以提升氧化铝陶瓷的硬度，显著降低陶瓷的磨损率。

不同于c-BN，h-BN的热膨胀系数和弹性模量较低而热导率较高，且具有结构和形状上的各向异性，因而具有较好的抗热震性。众多研究表明，以h-BN复合氧化铝陶瓷可制备具有优秀抗热震性能的复合陶瓷材料。

综上，在氧化铝陶瓷中添加一种或两种及两种以上的第二相构成二元、三元或多元复合陶瓷可以改善氧化铝陶瓷的抗弯强度、断裂韧性、弹性模量等力学性能或热膨胀系数、热导率等热学性能，从而起到改善单相氧化铝陶瓷抗热震性能的作用。

在添加第二相时，应综合考虑抗热震性能与力学性能、热学性能之间的关系。过多的添加某种第二相可能会造成氧化铝陶瓷力学性能的降低，影响陶瓷的使用范围。因此，一方面应控制第二相的添加量，采用合理适当的添加量使氧化铝陶瓷获得最佳综合性能；另一方面也可添加两种或两种以上的第二相，采用性能互补的方式来整体提高氧化铝陶瓷的抗热震的性能。

参考资料：

1、氧化铝抗热震陶瓷的研究进展；张巍①，张金②，段春雷③，耿浩④，韩阳⑤；①名古屋大学大学院工学研究科化学系统工学；②铸造杂志社（沈阳）有限公司；③宁夏机械研究院股份有限公司新材料分公司；④辽宁大学商学院；⑤大连理工大学材料科学与工程学院。

2、陶瓷热震尺寸极限研究进展；中国科学院力学研究所。

3、氧化铝基陶瓷抗热震性的研究进展；沈阳工业大学材料科学与工程学院；张巍，韩亚苓等著。