高溫環境下陶瓷材料彈性性能測試技術分析

閆宇嵩

(貴州省建材產品質量檢驗檢測院，貴州 貴陽 550014)

結構陶瓷材料，不僅有耐高溫、耐腐蝕以及耐磨損等優勢，其比重也要比其他材料小，當前世界的各國都在致力于用研究高溫陶瓷，代替金屬材料。 為了強化其性能，借助陶瓷材料高溫的抗壓試驗，分析了陶瓷材料，在高溫環境下的物理力性能，如高溫三點彎曲、壓縮等多種試驗；在此基礎上對當前高溫環境下，陶瓷材料的彈性性能，進行了相關性測試，了解其彎曲強度、壓縮強度；在掌握相關數據的基礎上，強化此材料結構抵抗彎曲的能力，避免陶瓷材料在后續的應用中，受到高溫等客觀因素的影響。

1 研究背景

超高聲速飛行器使用超高溫陶瓷材料在服役過程中常常面臨復雜的環境問題。一旦發生損傷，將會導致災難性后果。因此，提高超高溫陶瓷材料的高溫強度已成為國內外研究的熱點。開展超高聲速飛行器UHT材料的高溫力學性能研究對于提升其服役可靠性具有重要意義。然而，目前國內外對其高溫強度的研究還停留在試驗階段。由于其在高溫下的力學性能難以檢測，并缺乏統一的測量手段，導致其研究溫度與實際應用中所能承受的超高溫熱壓差相差甚遠。

目前的高溫力學試驗方法已無法滿足人們對高溫力學性能認識的迫切需求。國內外還沒有針對超高溫防熱材料在熱力耦合作用下的本構特征與失效機理進行研究，缺乏對超高溫陶瓷強韌化的主導機理的調控，也缺乏對其強韌化機理的深入研究[1]，這嚴重制約了對熱力耦合作用下構件性能潛力的發揮，同時也制約了對熱力耦合作用下構件特征與失效的準確分析。

目前已有學者利用高溫彈性模量的測定獲得了UHT陶瓷材料的高溫強度。然而，在目前的研究中，UHT陶瓷材料在高溫下的力學性能與彈性模量之間仍存在諸多問題，尤其是在高溫下。因此，我們迫切需要進行深入的研究。本項目的目標是在已有研究的基礎上，構建一套能夠反映超高溫陶瓷在全溫度全過程中強度演變的物理過程和演變過程的本征力學模型。同時，我們將系統地研究不同的損傷形式和微觀組織特征尺度等因素對其強度的影響，并對相關因素的敏感度和溫度場進行分析。通過開展本項目的研究，我們將能夠深入理解影響UHT材料高溫性能的多個因素。這將為改善UHT材料的高溫性能提供理論基礎和方法，包括從微觀組織構建和制備等角度。同時，本項目的研究成果將為我國未來高超音速長距離機動飛行器的研制提供技術支撐。

2 現狀

在50年代，陶瓷材料是人們日常生活中使用最廣泛的材料，包括陶器、磚、瓦、水泥和玻璃。由于陶瓷材料具有優異的物理和力學特性，因此在絕緣材料、防彈防護裝置、生物醫用植入物、航空發動機渦輪葉片、盤式陶瓷制動器、軸承等眾多領域得到廣泛應用。在實際工程應用中，陶瓷材料的抗熱沖擊能力非常重要，因為在運行中，快速的升溫和降溫會導致熱應力，可能導致設備失效。陶瓷材料的化學鍵主要是離子鍵和共價鍵，這些鍵之間非常牢固且具有明顯的方向性。與普通金屬相比，陶瓷材料的晶體結構較為復雜，但其表面能較低。因此，陶瓷材料的強度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性和耐熱性都優于金屬。然而，陶瓷材料在塑性、韌性、可加工性、抗熱震性和使用可靠性方面又不及金屬。

因此，在科研、研制、使用和設計過程中，我們應該充分認識陶瓷的特性和影響因素。陶瓷作為一種脆性材料，在常溫下很難發生塑性變形，一旦達到彈性極限，就會發生斷裂。因此，彈性性能對陶瓷非常重要。與其他固態物質類似，虎克定律同樣適用于陶瓷的彈性變形。虎克定律實質上是指在外力作用下，由于原子間的平衡而引起微小的移動。當這些原子之間的微小偏移達到一定閾值時，將導致化學鍵的破壞(在常溫下)和原子的滑移(在高溫下)。彈性模數反映了原子間的距離發生微小改變所需要施加的外力。決定彈性模量的最主要因素是原子間的結合力，這意味著有許多因素會對其產生影響，需要根據具體問題采取相應的對策。

3 影響陶瓷變形的原因

3.1 內在原因

由于模具的復雜性、各部分受力和收縮不均導致變形。陶瓷材料在自重的作用下，縱向收縮比橫向收縮更大。在裝窯燒成過程中，設備的中心位置偏移導致高溫下發生彎曲變形。熱應力與制品的造型直接相關。制品比例尺寸、厚薄和形狀的不均勻性或不對稱性會導致溫度梯度或收縮的差異，從而在制品不同部位產生熱應力差異。

3.2 外部因素

溫度。高級結構陶瓷材料的最大優點是其高溫強度遠高于其他金屬材料，例如高純硅，氮氣含量在1 440以上。由于在高溫下仍具有較強的抗裂紋擴展能力和抗蠕變能力，因此被視為一種非常有潛力的航空發動機耐高溫構件候選材料。在不含玻璃相的陶瓷中，高溫強度主要取決于擴散，而在含玻璃相的陶瓷中，高溫強度則主要由玻璃相控制。不同材料的強度對溫度的依賴性也各不相同。同時，其破壞機理也從低溫時的脆性破壞轉變為高溫時的塑性破壞，因此產生了一個脆-韌轉變溫度。一些陶瓷材料，如SiC等，在溫度變化過程中，尤其是在脆-韌轉變溫度附近，其強度會回升形成峰值，然后隨溫度升高迅速下降。這主要是因為在裂尖附近發生了非晶相結晶，并伴隨著裂尖的應力釋放。

玻璃相的存在導致材料在高溫下的強度降低。為了解決這一問題，可以在材料制備過程中盡量減少使用添加劑，因為添加劑雖然可以提高燒結和致密化，但也會增加玻璃相的含量。目前有兩種主要方法來解決這一矛盾：1)提高非晶體的軟化點[2]，2)通過熱處理促使非晶體結晶。在陶瓷材料中，通常會加入5～20%的添加劑，在晶界或兩個晶界之間形成一層約1～2 nm厚的非晶薄層。研究結果表明，氧化硅的含量和分布是影響材料高溫性能的主要因素。研究發現，在含有很少SiO2的情況下，SiO2主要分布在晶界上，在1 400℃時，SiO2明顯軟化，但由于對無定形相的阻礙作用，使其具有很高的強度。相反，如果SiO2含量較大，就會在晶界形成一層很厚的非晶薄層，在高溫下，即使是很低的應力，也會導致應力集中，從而引發裂紋和晶界滑移，降低材料的強度。以前的研究已經使用內耗法對Si與溫度的關系進行了研究。同時，我們還發現，當內耗達到最大值時，合金的強度會明顯下降，這被認為是導致合金高溫力學性能降低的主要原因。

隨著氣溫的升高，區域C發生了變化。由于2D滑移系的運行，部分位錯引起的交滑開始被激活，導致位錯塞前緣應力的松馳效應更加明顯。因此，在這個溫度范圍內，隨著溫度的增加，斷裂應力也呈上升趨勢。

試環境對強度的影響。為了獲得可靠的數據，材料的檢測環境應盡量與實際應用環境相匹配。目前，環境效應的研究主要集中在空氣介質和真空介質上。SiAlON材料在真空環境和空氣環境下的高溫下抗彎強度存在明顯差異。在真空條件下，其抗彎強度甚至可以達到1 400MPa。在C的條件下，其強度仍然很高。然而，在大氣中，當溫度達到1 200℃時，其強度明顯降低，這與其氧化特性密切相關。本項目的研究對象是硅、碳化硅等碳化硅材料，將系統地研究碳化硅材料的氧化動力學，揭示其與微觀結構之間的密切關系，并揭示碳化硅中碳的氧化動力學機制。傳統的結構陶瓷由于其較好的抗氧化性，大多數實驗介質都在空氣中進行。然而，在某些陶瓷基復合材料中，通過改變增強相/基體界面，可以提高其在高溫下的力學性能，從而減輕氧化作用的影響。

4 分析高溫蠕變性

該問題是評估陶瓷材料在高溫環境中的可靠性和壽命的一個重要因素。解決這個問題對于評估陶瓷材料和高溫構件的蠕變性能具有重要意義。高溫蠕變是指在高溫條件下，材料在自重或外部應力的影響下會隨著時間的增長而發生的變形現象。與塑性變形不同，塑性變形通常在應力達到一定強度后才會發生，但當應力持續時間較長時，就會出現塑性變形[3]。目前，對陶瓷材料蠕變變形的研究主要在高溫、長時間、恒定應力條件下進行，其中Nabarro-Herring蠕變和Coble蠕變被廣泛應用作為蠕變機制的理論解釋。此外，評估陶瓷材料蠕變性能多采用國際標準的壓力-蠕變試驗方法，但存在應用范圍窄、工況苛刻等缺陷，迫切需要引入其他簡便易操作的高溫蠕變試驗方法。

GB/T 5073—2005[5]指導了耐火材料的壓縮蠕變測試方法。該方法的原理是：在一定的恒壓下，以規定的升溫速率對預定尺寸的試樣進行加熱，并在規定的試驗溫度下保持恒溫，記錄試樣隨時間變化而產生的高度方向上的變形量以及相對于試樣原始高度的變化百分比。蠕變性能表示材料能夠在高溫下承受塑性變形。目前的研究主要關注剛玉-莫來石復合相，這種復合相具有兩種礦物的優異性能，同時在高溫工業中被廣泛應用，如高溫低蠕變的窯具、承燒板、推進板等，因其具有優異的高溫抗蠕變性、抗熱震性、力學強度、耐磨性能和熱傳導性。

5 抗熱震性能

超高溫陶瓷是由高熔點的過渡金屬元素(如ZrB2、TaC、HfN、HfB2和ZrC)構成的，其熔點高達3 000℃以上。在極端高溫(2 000℃以上)和氧氣等極端環境下，超高溫陶瓷能夠正常工作，并且具有穩定的物理化學性質。超高溫陶瓷具備出色的綜合性能，在航空、航天等領域得到了廣泛應用。然而，由于陶瓷本身的脆性，其熱震性能較低，熱沖擊是導致其失效的主要因素。因此，如何提高超高溫陶瓷的抗熱震性一直是該領域的一個重要研究問題。準確評估超高溫陶瓷的抗熱震性能是解決該問題的首要前提。

國內外許多學者對抗熱沖擊特性進行了大量實驗和理論研究。其中，一些學者通過實驗方法研究了SiC顆粒大小對ZrB2基體的耐熱沖擊性能的影響。已有的試驗研究表明，UHT陶瓷的抗熱沖擊性能與SiC增強劑密切相關[4]。然而，在顆粒增強體中，由于外加劑與基材的熱膨脹系數不匹配，導致在降溫過程中產生了殘余熱應力，并在外加應力的共同作用下，導致顆粒附近的裂紋萌生。在相同的初始熱沖擊溫度下，隨著SiC晶粒度的增大，SiC的抗熱震性降低[5]。

因此，通過細化SiC晶粒，可以顯著提高UHT陶瓷的低溫和高溫下的抗熱沖擊能力。研究發現，在相同的熱沖擊初始溫度下，不論是否存在殘余熱應力，抗熱震性隨晶粒度的變化趨勢基本一致。這意味著，在不同晶粒度下，殘余熱應力導致的抗熱沖擊性能下降的程度基本相同。然而，在升溫過程中，SiC晶粒尺寸增大時，形成的微裂紋尺寸也增大，殘余熱應力對抗熱震性能的影響也增大。通過在SiC粒子表面形成特定尺度的微結構，可以有效改善SiC粒子在高溫和低溫下的抗熱沖擊性能[6]。研究結果顯示，該復合體系的有效表面能高于基質材料，加入SiC粒子可以提高材料的有效表面能。在高溫下，抗熱沖擊阻力系數對應的臨界破壞溫度差隨著材料的有效表面能增大而增大，表明抗熱沖擊能力明顯提高。加入SiC粒子后，UHT陶瓷的抗熱沖擊能力得到明顯改善，這與在較低溫度下的實驗結果一致。

6 結語

當前研究陶瓷材料彈性問題的資料較多，對于陶瓷變形度，只是針對陶瓷制品而言，并且不同測量方法，也會受到制品種類的影響。要想實現對陶瓷材料抵抗變形性能的準確性測量，實現科學評價，需要參考國外先進的方法，結合自身的經驗，在實驗中不斷改進。通過了解陶瓷材料特點，對其在高溫下的抗震性能、彎曲度等內容，進行不斷測試，做好對相關參數的整合和分析工作，進而為陶瓷材料性能后續的研究與試驗工作提供更多的數據支持。