返回頂部
返回首頁
返回首頁
今日    | 手機版 | 地圖 | 新聞 | 原料 | 技術 | 全站 | 信息 | 分析 | 視點 | 教育 |
如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性?,中國建材網,cnprofit.com
home 您現在的位置: 首頁 >建材應用 > 詳細信息
如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性?
2022年04月07日    閱讀量:19476    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

氧化鋁基陶瓷具有熔點高、強度大、耐磨損、耐腐蝕等性能,被廣泛應用于冶金、機械、航空、航天等領域,但Al2O3陶瓷的抗熱震性較差,材料經300℃溫差單次熱震后的強度保持率僅約為22%,因而限制了其應用領域,在實際應用中Al2O3陶瓷材料的抗熱震性能起著決定性作用。小編結合目前國內研究者文獻報道,簡述提高Al2O3陶瓷的抗熱震性能的方法。


一、Al2O3陶瓷抗熱震性能影響因素

Al2O3陶瓷抗熱震性能影響因素主要有微觀結構特征、陶瓷的表面狀況和幾何尺寸中國建材網cnprofit.com。


1、Al2O3陶瓷微觀結構的影響

Al2O3陶瓷的微觀結構特征,如晶粒尺寸、微裂紋、氣孔率和氣孔分布等,都會對其抗熱震性能產生重要影響。以晶粒尺寸為例,對于致密度高的Al2O3陶瓷而言,在小晶粒范圍內細晶粒的Al2O3陶瓷具有較好的抗熱震性能;在大晶粒范圍內粗晶粒的Al2O3陶瓷具有較好的抗熱震性能。目前研究者認為:10μm為Al2O3粗細晶粒的界線。


如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

圖1熱壓燒結Al2O3陶瓷細晶粒尺寸的微觀結構SEM圖片


此外,氧化鋁陶瓷中氣孔非均勻分布對陶瓷強度和楊氏模量的降低程度大于陶瓷中氣孔均勻分布造成的影響。而陶瓷自身存在的微裂紋在熱震環境中亦非總是立即導致材料斷裂,這往往也是由熱震裂紋核受到氣孔抑制引起的。適量微裂紋的存在可通過微裂紋增韌機制提高陶瓷的韌性,進而提高Al2O3陶瓷的抗熱震性。


2.表面狀況的影響

Al2O3陶瓷在使用前通常需要采用一些機械加工方法處理表面,如磨削、拋光、銑削等,導致表面粗糙度發生變化。Al2O3陶瓷表面分別經磨削和拋光處理后的抗熱震性能,結果發現表面經磨削處理后的Al2O3陶瓷具有更佳的抗熱震性,經磨削和拋光處理后Al2O3陶瓷的臨界熱震溫差分別為235℃和185℃。這是由于磨削表面上較高的初始缺陷密度允許熱沖擊產生的彈性能分布在更多的裂紋上,每個裂紋的延伸量相對較小。


3.幾何尺寸的影響

Al2O3陶瓷的抗熱震性還受到陶瓷幾何尺寸的影響。通常降低陶瓷厚度可以提高陶瓷的臨界熱震溫差,這主要是由于彎曲應力產生內部彎曲沖量所致。


例如:采用不同測試方法測試不同厚度Al2O3陶瓷的抗熱震性,利用氫氧火焰加熱陶瓷一個表面,同時將另一表面放入淬火介質中冷卻,結果發現當陶瓷厚度從2mm增加到6mm時,陶瓷失效溫度由342℃升高到700℃,即陶瓷越厚,抗熱震性越好。從陶瓷厚度對抗熱震性能的影響角度來看,整體拉伸應力隨著陶瓷厚度的增加而降低,陶瓷厚度的增加要求更高的熱震溫差以防引發失效。

如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

圖2不同幾何尺寸氧化鋁陶瓷


二、提高Al2O3陶瓷的抗熱震性能的措施


1、第二相法提高Al2O3陶瓷抗熱震性

為了提高Al2O3陶瓷的抗熱震性能,在Al2O3陶瓷基體中引入適當、適量的第二相是一種有效方法,引入的第二相既可以是非金屬材料,又可以為金屬材料,引入形式既可是顆粒,也可是晶須、纖維或溶膠。


①引入ZrO2


ZrO2添加到Al2O3陶瓷中,可以提高陶瓷的抗熱震性、抗彎強度和斷裂韌性。第二相顆粒彌散強化、四方ZrO2應力誘導相變增韌和微裂紋增韌是提高Al2O3陶瓷力學性能的主要機理。

如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

圖3不同ZrO2添加量下Al2O3抗熱震陶瓷的SEM圖片


添加不同含量ZrO2后Al2O3陶瓷的抗熱震性能,如下表所示。

如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

②引入稀土化合物


稀土化合物常常作為添加劑應用在Al2O3陶瓷中,應用最多的是稀土氧化物,其次為稀土鹵化物。由于稀土氧化物具有特殊的物理和化學性能,故已被用于提高Al2O3陶瓷性能方面。


以添加CeO2為例,當添加CeO2的質量分數為1%時,Al2O3陶瓷經200~600℃熱震溫差(水冷)后的抗熱震性能最佳。一方面,添加CeO2能夠增加Al2O3陶瓷的斷裂韌性;另一方面,當CeO2添加量為1.5%時,陶瓷的氣孔率為1.16%,而當CeO2添加量為1%時,陶瓷的氣孔率為4.18%,適量的氣孔率不僅可以鈍化裂紋尖端、減少應力集中,而且還能起到隔熱作用,從而提高了陶瓷的抗熱震性。因此,添加CeO2提高Al2O3陶瓷抗熱震性的原因可以歸結于增韌和適當氣孔的協同作用,主要貢獻者為增韌作用,但氣孔也會影響其抗熱震性。添加不同稀土化合物后Al2O3陶瓷的抗熱震性能,見下表。


如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com


2、添加低熱膨脹系數組元

在Al2O3陶瓷中添加堇青石、莫來石、紅柱石、鈦酸鋁、鋰霞石等具有較低熱膨脹系數或負膨脹系數的組元,可以降低陶瓷的熱膨脹系數,從而有利于提高陶瓷的抗熱震性。


堇青石是一種具有較低熱膨脹系數的礦物材料,堇青石可采用天然礦物高溫固相反應法、高純氧化物高溫固相反應合成法、工業或農業廢料合成法和溶膠凝膠法和低溫燃燒合成法等制備,被廣泛應用于結構陶瓷、耐火材料、多孔材料、介電材料、紅外材料和電子封裝材料等領域。


如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

圖4含有10%堇青石的Al2O3抗熱震陶瓷的SEM圖片


將堇青石添加到Al2O3陶瓷中,可以降低材料的熱膨脹系數,從而提高Al2O3陶瓷的抗熱震性能。研究發現,Al2O3-堇青石陶瓷在1230~1280℃燒成溫度范圍內,熱導率隨燒成溫度的升高而增大,這與陶瓷致密度隨燒成溫度的升高而增大有關.氣體熱容比Al2O3晶體熱容低,且會使聲子發生散射,因而隨著燒成溫度的升高,氣孔減少,熱導率提高.Al2O3-堇青石陶瓷經過10次800℃熱震溫差(水冷)和40次600℃熱震溫差(水冷)測試后,陶瓷尚未開裂。

添加不同低熱膨脹系數組元后Al2O3陶瓷的抗熱震性能,見下表:

如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com


3、添加高熱導率組元

Al2O3陶瓷中添加SiC、金屬顆粒等具有較高熱導率的組元,可提高陶瓷熱導率,減小陶瓷在淬冷過程中的瞬間溫度梯度,從而減小陶瓷經歷熱震循環后受到的熱應力,有利于提高陶瓷的抗熱震性。


①SiC

SiC熱導率大于Al2O3,且熱膨脹系數小于Al2O3,因而將SiC添加到Al2O3陶瓷中,理論上可以降低陶瓷的熱膨脹系數并提高其熱導率。SiC多以納米顆?;蚓ы毿问郊尤氲紸l2O3陶瓷中。研究發現添加體積分數為5%的SiC能夠顯著提高陶瓷的抗熱震性,Al2O3陶瓷的臨界熱震溫差由70℃提高至185℃。


②金屬


金屬通常具有較高的熱導率和韌性,引入到Al2O3陶瓷中,不僅可以通過提高陶瓷的熱導率緩解熱應力,還能通過多種方式阻礙裂紋擴展,具體方式包括裂紋偏轉、鈍化、釘扎以及金屬顆粒的拔出等,從而提高陶瓷的力學性能。


Mo顆粒的添加量(體積分數為10%和20%)和顆粒尺寸(0.56和10μm)對Al2O3陶瓷抗熱震性能的影響,結果表明添加體積分數為20%且尺為10μm的Mo顆粒能夠提高陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性和熱導率,減小陶瓷的彈性模量、熱膨脹系數和熱應力強度因子,同時可以細化陶瓷晶粒。金屬Mo顆粒橋接是提高Al2O3陶瓷韌性和抗熱震性的主要原因。Mo顆粒的引入能夠使Al2O3陶瓷的臨界熱震溫差由200℃提高到450℃。


如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

圖5含有Mo顆粒Al2O3陶瓷中的裂紋擴展


4、制備多孔結構

多孔Al2O3陶瓷除了具有Al2O3陶瓷的特點外,還具有開口氣孔率高的特性,可用作催化劑載體、過濾材料、熱交換器、熱絕緣體和生物醫學植入物等。


研究發現隨著孔隙率的增加,陶瓷的室溫抗彎強度逐漸降低,但多孔陶瓷的臨界熱震溫差和殘余抗彎強度則隨著氣孔率的增加而增大。當氣孔率為6%時,多孔Al2O3陶瓷的臨界熱震溫差和殘余抗彎強度分別為200℃和15MPa(ΔT=700℃);而當氣孔率大于43%時,多孔陶瓷的臨界熱震溫差和殘余抗彎強度分別為400℃和21MPa(ΔT=800℃)。多孔Al2O3-ZrO2陶瓷抗熱震性的提高是由于孔隙的存在能夠有效緩解熱沖擊應力,有效阻止了微裂紋的擴展。

如何提高Al2O3陶瓷的抗熱震性? 中國建材網,cnprofit.com

圖6 多孔Al2O3陶瓷熱震前后的SEM圖片(左圖:熱震前;右圖:熱震后)




參考文獻:


1、陳蓓,丁培道,程川等,Al2O3+ ZrO2層狀復合陶瓷的表面抗裂紋行為及抗熱震性能,硅酸鹽學報。


2、汪霖. 氧化鋁陶瓷抗熱震性研究,中科院上海硅酸鹽研究所。


饒平根,吳建青,葉建東等, 添加氧化鋯對氧化鋁陶瓷的性能的影響,兵器材料科學與工程。


3、謝華生,李玲,李漢錕,稀土氧化物對鑄造用納米氧化鋁陶瓷化涂層顯微組織及性能的影響,鑄造。


4、張巍,韓亞苓,潘斌斌,堇青石的合成工藝研究及結構特征,陶瓷學報。


標簽:今日頭條,建材應用,技術中心,成品材料,瓷磚陶瓷
免責聲明: 本文僅代表作者本人觀點,與中國建材網無關。本網對文中陳述、觀點判斷保持中立,不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考,并請自行承擔全部責任。本網轉載自其它媒體的信息,轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。如因作品內容、版權和其它問題需要同本網聯系的,請在一周內進行,以便我們及時處理??头]箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571
門戶手機版WeChat
掃描二維碼,獲取手機版最新資訊 手機版:中網建材 您還可以直接微信掃描打開
全站地圖 | 二級目錄 | 上鏈請聯系QQ:23341571

深圳網絡警察報警平臺 深圳網絡警
察報警平臺

公共信息安全網絡監察 公共信息安
全網絡監察

經營性網站備案信息 經營性網站
備案信息

中國互聯網舉報中心 中國互聯網
舉報中心

中國文明網傳播文明 中國文明網
傳播文明

深圳市市場監督管理局企業主體身份公示 工商網監
電子標識

久久伊人精品波多野结衣