Al2O3 陶瓷抗熱震性能的研究

周圓圓 ，胡繼林 ，代長貴

（1. 湖南人文科技學院 材料與環境工程學院，婁底417000；2. 湖南人文科技學院 精細陶瓷與粉體材料湖南省重點實驗室，婁底417000）

1 引言

Al2O3陶瓷具有許多優點，如較高的強度、較大的硬度、良好的耐磨性和耐高溫性、較好的熱導率、抗化學侵蝕性和電絕緣性等［1］。在現代工程技術中，Al2O3陶瓷在許多領域中獲得廣泛應用，如軍事武器、醫療器械、光學元件、航空航天、化工和石油煉制等［2］。但Al2O3陶瓷存在著抗熱震性差的缺點，這使得其應用范圍受到了一定的限制。

抗熱震性是指材料承受溫度的急劇變化而不被破壞的能力。當陶瓷處于高溫環境下時，受到溫度驟變引起的熱沖擊，一旦溫度再次變化就會引起較大的應力梯度。陶瓷材料的各向異性膨脹系數造成的高熱應力，一般為80MPa～100MPa，這容易導致陶瓷材料出現損傷或斷裂［3］。陶瓷材料的熱應力決定了它的抗熱震性能，而熱應力主要受陶瓷材料力學性能和熱學性能的影響。此外，材料的厚度、幾何形狀等因素也不可忽視［4］。單相Al2O3陶瓷的臨界熱震溫差為200℃，限制了其在熱震環境下的使用［5］。相比于單相Al2O3陶瓷，Al2O3基復相陶瓷具有更加優越的力學性能，因而其抗熱震性也更受矚目［6］。

2 影響Al2O3 陶瓷抗熱震性能的主要因素

2.1 Al2O3 陶瓷的力學性能

材料的力學性能是指陶瓷材料在不同環境（壓強、溫度等）下，施加各種載荷（擠壓、摩擦、沖擊等），陶瓷材料所表現出的力學特征。與Al2O3陶瓷材料抗熱震性相關的力學性能主要有斷裂韌性、抗彎強度和彈性模量等［1］。Deng JX 等［7］采用超聲拋光技術處理Al2O3/TiC/Mo/Ni 陶瓷表面，發現處理后的陶瓷強度大大提高，抗熱震性能也更好。Maensiri S 等［8］通過對比磨削后的Al2O3陶瓷和拋光后的Al2O3陶瓷，發現前者的熱穩定性顯著優于后者，因而磨削后的陶瓷熱穩定性能更好。

陶瓷材料在常溫下幾乎不可能產生塑性變形（脆性斷裂），在高熱震環境下，陶瓷材料的彈性變形一旦達到極限程度時，就會發生斷裂。材料中裂紋一旦擴展到一定程度，就會立即達到失穩態，之后裂紋迅速擴展造成不可逆的損傷。

陶瓷材料的斷裂韌性一方面可以判斷材料塑性優劣，也可以作為衡量抵抗裂紋擴展能力的標準，也就是抵抗脆性破壞的能力。裂紋擴展有三種形式：掰開型（I 型）、錯開型（II 型）、撕開型（III 型）［9］，斷裂韌性的表達式如下［10］：

式（1）中，E 為彈性模量，γ 為表面能。

影響陶瓷材料的抗彎強度的因素有很多，如氣孔率，同樣的材料組分，氣孔率小的強度高。此外，晶粒尺寸和形狀、晶界相的性質等也對陶瓷材料的抗彎強度有著顯著影響。

2.2 Al2O3 陶瓷的熱學性能

陶瓷材料的抗熱震性主要受熱膨脹系數和熱導率這兩方面的影響。熱膨脹是指陶瓷材料在外界條件（壓強、介質等）相同的條件下，溫度升高，出現熱脹冷縮的現象。這種現象的產生與溫度、熱容等因素有關，主要受相變、材料組分、各向異性的影響。熱膨脹系數小的陶瓷材料，耐高溫性能優越，產生的熱應力小。例如石英玻璃的熱膨脹系數并不高（109MPa），σ/E 相比于其他陶瓷高一些，因此石英玻璃的抗熱震性好［11］。其他如堇青石陶瓷、鋰輝石陶瓷和熔融石英陶瓷因熱膨脹系數小，都具有優良的抗熱震性［12］。

熱導率是指陶瓷材料在穩定傳熱條件下，單位時間里通過單位面積的熱量［13］。基于這一點，對單位面積和溫度梯度的改變，就能調節材料受到的熱沖擊大小。引入添加劑或者調節氣孔大小都是提高陶瓷材料熱導率的有效方法。熱導率和溫度梯度之間的函數關系如下：

該式中，當P=0 時，K0為陶瓷材料的熱導率。由上式可以得出：熱導率大，材料內溫度梯度會減小，溫差應力就小，熱穩定性就好［14］。

3 提高Al2O3 陶瓷抗熱震性能的途徑

提高陶瓷抗熱震性能的途徑，主要有以下幾種思路：（1）減小材料的彈性模量；（2）提高材料強度；（3）減小熱膨脹系數；（4）提高熱導率。材料組分選擇和顯微結構調控對氧化鋁陶瓷抗熱震性有非常重要的影響。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，在陶瓷材料的配方設計中適當地引入晶須、顆粒等第二相，可以一定程度上改善陶瓷材料的抗熱震性能［15］。

3.1 材料組分選擇對Al2O3 陶瓷抗熱震性的影響

如前面所述，影響氧化鋁陶瓷的抗熱震性主要有兩大因素（力學性能和熱學性能），基于此，可以通過選擇合適材料組分、合理設計材料配方來提高氧化鋁陶瓷的抗熱震性。

3.1.1 纖維/晶須增韌

在Al2O3陶瓷中引入纖維，制備出復相陶瓷，相比于單相Al2O3陶瓷，韌性得到明顯改善，斷裂行為也發生了轉變，前者是非脆性斷裂，后者是脆性斷裂。有研究發現［16］，當在Al2O3陶瓷基體中引入與其物理化學性能十分相容的ZrO2纖維時，抗熱震性得到了明顯的提高。氧化鋯纖維的加入，使得材料在制備燒結過程中會引入氣孔，而氣孔的存在可以改善Al2O3陶瓷材料的力學性能，降低材料的導熱系數。

3.1.2 熱膨脹失配

在Al2O3陶瓷基體中引入添加劑，熱膨脹系數差異的存在，導致陶瓷在冷卻時，內部出現大量顯微裂紋，強度降低，增大了斷裂能。陳寧等［17］以堇青石、莫來石、高嶺土和氧化鋁微粉為原料，在1370℃下保溫3h 獲得具有較高抗熱震性的堇青石-莫來石窯具材料。Zhang L 等［18］所制備的堇青石/莫來石/Al2O3復相陶瓷具有低的熱膨脹系數、高的抗彎強度和楊氏模量，使復相陶瓷具有優異的抗熱震性能。Kuscer D 等［19］研究了Al2O3顆粒大小對堇青石陶瓷顯微結構、抗彎強度和熱膨脹系數的影響，研究發現，體系中的Al2O3顆粒起著夾雜物的作用，裂紋的軌跡被偏轉或終止，細小的Al2O3顆粒有助于增加堇青石陶瓷的抗彎強度和熱膨脹系數。

3.1.3 第二相顆粒增韌

該法一般選用延展性較好的金屬顆粒，一方面可以降低Al2O3陶瓷的脆性，另一方面在燒結過程中，金屬顆粒也可以充當燒結助劑的角色。金屬顆粒增韌氧化鋁陶瓷可以有效提高陶瓷材料的抗熱震性。王水慶等［20］在陶瓷基體中加入一定量的銅顆粒，通過熱壓燒結，制備了Al2O3-Cu 復相陶瓷，經過一定的性能測試，發現氧化鋁陶瓷的強度、韌性和導熱系數得到大幅度提高。金屬間化合物可以作為金屬顆粒的替代，同時進一步改善復相陶瓷性能，李嘉等［21］通過制備新型的Al2O3-FeAl 金屬間化合物復相材料，發現材料的抗熱震性獲得成倍提高。

3.1.4 元素摻雜氧化鋁

趙曉亮等［22］利用溶膠凝膠法合成高比表面積和高熱穩定性的硅摻雜有序介孔氧化鋁，有效地抑制γ-Al2O3的相變，同時維持較高的比表面積，從而有效提高了有序介孔氧化鋁的熱穩定性。張國等［23］通過研究La-Sr 摻雜和助成膠劑對Al2O3熱穩定性的影響，發現La、Sr 物種的共摻雜可以提高Al2O3陶瓷的熱穩定性。La、Sr 與Al2O3生成復合氧化物，阻止了γ-Al2O3的高溫團聚。在γ-Al2O3中摻雜雙金屬元素La、Ba 同樣有利于提高氧化鋁的抗熱震性能［24］。

3.2 顯微結構調控對Al2O3 陶瓷熱震性能的影響

顯微結構主要是指氣孔形狀和分布以及晶粒的大小等方面。一般來說，晶粒越細小的陶瓷材料表現出的強度就越高，兩者的關系常用Hall-Petch公式來描述［25］：

式（3）中，d 為鐵素體晶粒直徑，σ0為作用在位錯上的摩擦力。

氣孔往往能抑制熱沖擊裂紋，一定量均勻分布的氣孔可以減小熱膨脹系數，阻止裂紋擴展，孔對材料的導熱性和彈性模量起著積極作用［26］。有研究發現多孔陶瓷材料的熱沖擊損傷抗性高于致密陶瓷的熱沖擊損傷抗性［27］。

4 Al2O3 陶瓷抗熱震性能的測試方法

不同的材料應用于不同的使用場合，對抗熱震性的要求也不同。目前Al2O3陶瓷抗熱震性能的測試方法主要有：急冷-強度法、壓痕-急冷法、紅外加熱與強氣流淬火法［28］、圓盤中心加熱法［29］、熱氣流噴射法［30］等。常采用的方法主要是前兩種，其優缺點如表1 所示。

4.1 急冷-強度法

該法是實驗室里常用的方法，能定量判斷陶瓷材料抗熱震性能的優劣。具體做法是：將樣品加熱到一定溫度并保溫30min，注意樣品要受熱均勻，然后迅速投入20℃流水中急冷，或在壓縮冷空氣下降溫，這里的流水和冷空氣充當冷卻劑的角色，再用三點彎曲法測試剩余抗彎強度。熱震前后三點彎曲強度的比值用來反映抗熱震性能的高低［31］。

表1 急冷-強度法與壓痕-急冷法的優缺點

4.2 壓痕-急冷法

Tomas Andersson 及David J. Rondiffe 第一次提出了壓痕裂紋擴展的實驗方法［32］。具體做法是：在圓柱狀試樣的表面上打上四個Vickers 壓痕，在掃描電鏡下測定壓痕的裂紋長度，或者用高倍光學顯微鏡測定，之后的操作與急冷-強度法相似，不同的是本法表征抗熱震性能是通過測定裂紋長度的變化情況，計算裂紋增長率。呂珺等［33］采用壓痕-急冷法測試了Al2O3-SiCw 和Al2O3-TiCp 兩種陶瓷基復合材料的抗熱震性能，并與急冷強度法測試結果進行了對比分析，得到了相同的實驗結果。因此，在對Al2O3陶瓷樣品進行抗熱震性能測試時，要結合實際情況選擇合適的測試方法。

5 結論

目前市場上對Al2O3陶瓷的需求日益增加，對其性能的要求也越來越高。Al2O3陶瓷的抗熱震性對其在高溫下的使用具有比較大的影響，改善Al2O3陶瓷的抗熱震性具有重要的實際意義和市場價值。隨著技術的不斷進步與發展，工藝過程得到不斷優化，能夠提高Al2O3陶瓷抗熱震性的第二相材料的種類越來越多，在研究中要結合材料的性能和具體使用要求，選擇合適的工藝和原材料種類以制備出抗熱震性能優異的Al2O3陶瓷，使Al2O3陶瓷在更多領域獲得廣泛應用。