陶瓷材料热稳定性小论文作业

陶瓷材料的热稳定性

摘要：热稳定性是陶瓷材料重要的物理性能之一，极大地影响了陶瓷材料的可靠性，限制了其工程应用的范围。提高陶瓷的抗热震性一直是无机材料工作者致力于解决的领域。本文从热稳定性的本质出发，分析了影响陶瓷热稳定性的因素和提高热稳定性能的方法和途径。

正文：

作为一种功能或是结构材料，陶瓷在加工和使用过程中经常面临着从极高的温度环境到低温环境的变化，由此而受到较强的温度起伏冲击。不同的材料由于使用环境和要求的不同，所面临的热冲击程度也不尽相同。例如一般的日用瓷只需要承受100K左右的热冲击，而对于一些运用到航天设备上的材料，则需要能够承受高达3000K~4000K的温差变化。因此，抗热冲击性能是材料在工程运用中一个起着关键作用的性能，是陶瓷其他高温性能能够充分发挥的保证。

一、材料热稳定性的相关理论基础

同其他的脆性材料一样，陶瓷材料的热稳定性普遍较差。在这里，我们将材料抵抗温差骤变而不至于发生破坏的能力称为热稳定性或是抗热震性。热稳定性是材料热学性能和力学性能的一个耦合性能，是热学性能和力学性能优劣的综合体现。材料的热冲击破坏一般分为两大类型，一类是热冲击作用下的瞬时断裂，另一类是热冲击作用下的开裂、剥落直至整体损坏的热震损伤。

对于热冲击瞬时断裂，比较成熟的理论支持有基于热弹性理论的临界应力断裂理论。其认为，材料受到热冲击而发生断裂，是热应力的作用。当热震温差产生的热应力δH大于材料本身的固有强度δf时，即δH>δf时，材料就会发生热震断裂。热应力的产生主要有以下几类：

第一类热应力：主要是指材料体内部膨胀和体积变化引起的热应力。对于多晶体和多晶材料，由于各相异性的原因，导致在受热过程中各晶粒和晶相膨胀方向与系统的各个部分不一样，这样便会在材料的内部产生内应力。同样的，第一类热应力也包括了由于晶型转变体积变化而引起的热应力。

第二类热应力：主要是指由于温度梯度而产生的热应力。当稳定或是非稳定热流通过陶瓷材料是，由于热流本身的不稳定性、材料的形状或是传热特性而导致的材料温度的分布不均，产生温度梯度，引起热应力。

第三类热应力：主要是指材料膨胀受到抑制而产生的应力。由于外力的作用，限制了陶瓷材料的自由膨胀，由此产生了应力。这种情况如发生在隧道窑窑壁、旋转窑衬里、金属衬上的陶瓷涂层中的应力。

在受热或是冷却的过程中，物体产生多大的热应力取决于材料内部的温度梯度分布。其受到材料本身的特征性质、所处于的热环境、热处理工艺过程和材料的几何形状特征等所共同作用。如果假设材料的几何形状和受到的热处理工艺过程恒定已知，则材料受到的最大热应力可表示为其本身特征性质的函数和所处于的热环境的函数，可表示为：

δmax=f(m)·P(T)

其中m表示材料的特征参数，如热学性能、力学性能等；

T表示材料所处的热环境，如温差、升温速率等。

当最大热应力等于材料的固有强度时，即δmax=δf时，P(T)c被称为临界温度函数，其表征材料在本征性能的基础上，材料抵御外界热环境破坏的能力，即：

P(T)c=δf／f(m)

临界温度函数是陶瓷材料抗热震断裂能力的度量，可用材料的力学、热学性能来进行描述，用抗热震参数R来表示。根据热处理条件和差异和影响因素的不同，R的表达式也有所区别。

第一抗热震参数R1R1=δf（1-υ）／EαΔT max= R1

R1是用允许的最大温差变化来衡量材料的抗热震冲击能力，仅考虑材料膨胀或是收缩引起的热应力。

第二抗热震参数R2R2=κδf（1-υ）／Eα=κR1 ΔT max= R2／(0.31r m h)

R2也是用允许的最大温差变化来衡量材料的抗热震冲击能力，考虑了材料的几何形状r m和热散情况h对热应力的影响。

第三抗热震参数R3R3=κδf（1-υ）／(EαC pρ) (dT／dt)max=3 R3／r m

R3用材料所能承受的最大冷却速率来衡量其抗热震冲击能力，表明降低材料的摩尔热容和密度有利于提高材料的热稳定性。

对于热冲击循环作用下的热震损伤现象，可以用基于断裂力学的热震损伤理论来解释。其重点内容是以热弹性应变能W和材料的断裂能U之间的平衡条件作为热震破坏的依据。当W 》U时，材料的热弹性应变能足够支付裂纹成核和扩展而新生的表面所需的能量时，裂纹就得以形成和长大，从而导致了宏观上材料的热震损伤。抗热震损伤理论强调对已有裂纹扩展的抑制，从阻止裂纹的扩展来避免材料的热应力损伤。同样，有两个抗热震损伤参数被用来表征材料的抗热震损伤能力。

当材料的断裂表面能相同时R4=E／(1-υ)

当材料的断裂表面能不同时R5=2μE／(1-υ)

从R4和R5可以得出，抗热震损伤的材料应具有尽可能高的弹性模量和低的强度，此外，增大材料的断裂能、改善材料的断裂韧性都有助于提高材料的抗热震损伤能力。

比较R1到R5可以发现，对于材料的抗热震断裂和抗热震损伤，要求材料有截然相反的性能。材料如果要求有高的抗热震断裂性，则要求有较低的弹性模量、热膨胀系数和较高的强度；而如果对抗热震损伤性能有较高要求，则材料必须有较高的弹性模量和较低的强度。因此，在设计材料的性能时，要以材料所使用的环境来调整材料的参数，以获得最合适的性能。

二、陶瓷材料热稳定性的测试与表征：

1、耐火材料：将试样一端加热到一定的温度（1123+15K）并保温40min，然后放到50mm 深10~20℃的流动水中3min或置于空气中5~10min。重复这一过程至试件失重20%，用操作的次数来表征耐火材料的稳定性。

2、日用陶瓷：以一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度并重复到水中急冷直至试样被观察到发生龟裂，以产生龟裂的前一次加热温度来表征瓷的抗热震性。

3、陶瓷砖：陶瓷砖的抗热震性的测定是用整砖在15℃和145℃两种温度之间进行10次循环试验。在低温下保持5min后，立即将试样移至145℃±5℃的烘箱内, 145℃保温20min，然后立即将它们移回低温环境中。重复此过程10次循环，试样表面应无明显可见缺陷。

4、工程陶瓷：（1）强度法：加热试样并在水中骤冷后测弯曲强度，得出弯曲强度不明显下降的最大温差△T。（2）探伤法：试样经加热并在水中聚冷后，采用渗透探伤，得出试样不产生开裂所承受的最大温差△T。