毕业论文升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响完结

1、升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响摘要本课题研究的重点则是不同热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。主要研究结论如下：（1）对于纯Al2O3，在600 下分别热震10次，20次，30次，40次，50次所得到的抗热震性指数均在23-30之间，且变化很小；在200-600 下逐次热震所得抗热震性指数均在22-30之间，变化同样很小。从中可以看出热震制度对纯Al2O3热震性指数的影响很小；（2）对于7 wt% SiC/Al2O3，在600 下所得到的抗热震性指数均为35-46之间，在200-600 下逐次热震的抗热震性指数均在39-43之间，变化很小。从中可以看出热震制度对7 wt% SiC/

2、Al2O3抗热震性指数的影响很小；（3）SiC的添加能够改善陶瓷材料的抗热震性。关键词：Al2O3 SiC 热震制度 抗热震性指数Effect of temperature on thermal shock resistance of ceramic materials indexABSTRACTThe focus of this research is the effect of different heat shock system for thermal shock resistance of ceramic materials index. The main conclusions a

3、re as follows: (1) For the pure Al2O3, the thermal shock resistance index, after respectively 10 times, 20 times, 30 times, 40 times, 50 times of the thermal shock at 600 , was between 23-30, and the fluctuation is very small; after successive thermal shock at 200-600 the thermal shock resistance in

4、dex was between 22-30and the fluctuation is very small, too. It can be seen from the results that the effect of thermal shock system on thermal shock resistance index of pure Al2O3 is very small; (2) For 7 wt% SiC/Al2O3, the index of thermal shock resistance at 600 is 35-46 and the index of thermal

5、shock resistance of successive thermal shock at 200-600 is 39-43, changing smoothly. It can be seen from the results that the effect of thermal shock system on thermal shock resistance index of 7 wt% SiC/Al2O3 is very small; (3) The addition of SiC enhance the thermal shock resistance of ceramic mat

6、erial.Key words: Al2O3； SiC； thermal shock system； thermal shock resistance index目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 引言11.2 陶瓷材料的抗热震评价理论11.2.1抗热震断裂理论21.2.2 抗热震损伤理论21.2.3 断裂开始和裂纹扩展的统一理论31.3 陶瓷材料的抗热震性41.3.1 抗热震性的含义41.3.2 影响陶瓷抗热震性的因素41.3.3 抗热震性评价手段101.3.4 提高陶瓷材料抗热震性的途径121.4 抗热震评价方法的研究进展121.5 陶瓷材料抗热震性能评价标准131.5.

7、1 中国标准131.5.2 美国标准141.5.3 欧洲标准141.7 课题的引入14第二章 实验及表征方法152.1 实验原料152.2 实验设备和仪器152.3 试样制备162.4 实验方法及表征172.4.1 体积密度及显气孔率172.4.2 抗弯曲强度172.4.3 抗热震性能测试182.4.4 XRD物相分析192.4.5 扫描电镜（SEM）观察192.5 本章小结19第三章 实验结果与讨论203.1 不同热震次数及热震制度对纯Al2O3抗热震性的影响20 热震次数对纯Al2O3残余强度的影响21升降温制度对纯Al2O3抗热震性指数的影响213.2 不同热震次数及热震制度对7wt%S

8、iC/Al2O3抗热震性的影响223.2.1 热震次数对7wt%SiC/Al2O3残余强度的影响223.2.2 升降温热震制度对7wt%SiC/Al2O3抗热震性指数的影响233.3 SiC的加入对两种热震制度下陶瓷材料抗热震性的影响243.5 微观表征25第四章 结论与展望264.1 结论264.2 展望26参考文献27致谢30第一章 绪论1.1 引言陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温和化学性质稳定1等优点，有着很大的应用空间。但陶瓷材料主要是由离子键、共价键，或者它们的混合键组成，其最明显的弱点是脆性较大，承受温度的急剧变化而不致破坏的能力较差，即抗热震性能较差。陶瓷材料不仅脆性较大，而且

9、导热性能差、弹性模量大，因温度起伏所引起的应力梯度大，容易导致材料的失效或破坏。陶瓷材料在加工或使用过程中，常常受到环境温度变化的热冲击，因此抗热震性能是陶瓷材料的一个重要性能，它成为陶瓷众多优异性能能否得到充分发挥的制约因素，也是决定陶瓷材料可靠性和使用寿命的关键因素之一。力学性能和热学性能是影响材料抗热震性能的主要决定因素，同时构件的几何形状、尺寸、环境介质以及受热方式等诸多因素与抗热震性能有关。抗热震性能是材料对热冲击抗力的综合反映2。陶瓷材料对表面裂纹或缺陷尤为敏感，在热震环境下材料容易发生不可预见的破坏。由于影响陶瓷抗热震性能的因素比较复杂，虽然对其抗热震性有一定的理论解释，但是尚不

10、完善。本论文在前人研究的单一热震制度下的抗热震性指数的成果下，尝试研究不同的热震制度对于陶瓷材料抗热震性指数的影响。1.2 陶瓷材料的抗热震评价理论陶瓷材料抗热震性能的研究从本世纪五十年代开始发展至今3, 已初步形成脆性陶瓷抗热震性评价理论4的框架。其中有的以弹性力学为基础，把热应力和材料强度之间的平衡条件5作为热震破坏判据；有的则以断裂力学为依据, 将热弹性应变能和材料断裂能之间的平衡条件作为热震破坏判据。它们分别对应于陶瓷的两种破坏形式，即热冲击断裂和热震损伤。前者的代表理论是Kingery6 在1956年首次提出的“临界应力断裂理论”, 后者则以Hasselman7的“热震损伤理论”和“

11、断裂开始和裂纹扩展的统一理论”最为人们所接受, 由于评价理论的不同产生了相应不同的理论评价方法和评价因子8下面分别予以说明。1.2.1抗热震断裂理论抗热震断裂理论是从热弹性力学9的观点出发，以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。也就是说材料的固有强度不足以抵抗热震温差引起的热应力而产生的材料瞬时断裂。Kingery基于热弹性理论，以热应力和材料的固有强度之间的平衡条件作为判断热震断裂的依据，即： (1-1)当温度急剧变化引起的热应力超过了材料的固有强度，则材料发生瞬时断裂。由于温度变化产生的热应力可表示为10： (1-2)

12、式中, 为热膨胀系数，为弹性模量，为泊松比，为温差。一般将表面热应力达到材料固有强度作为临界热应力，此时的为临界温差。显然，临界温差值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即抗热震性能愈好。因此，根据广义胡克定律，可得到材料中所允许存在的最大温差为： (1-3)式中，为材料的固有强度，为热膨胀系数，为弹性模量，为泊松比。R定义为表征陶瓷材料抗热震性的因子，也称为第一热应力断裂抵抗因子。1.2.2 抗热震损伤理论材料的热震损伤是指在热冲击条件下，材料出现开裂、剥落，直至破裂或整体断裂的热损伤过程。热震损伤理论基于断裂力学理论，分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、扩展及抑制等动态过程。以热弹性应变能

13、W和材料的断裂能U之间的平衡关系作判断热冲击损伤的依据： WU (1-4)当热应力导致储存于材料中的应变能W足以支付裂纹成核和扩展而生成新生表面所需的能量U，裂纹就形成和扩展11。根据二者的关系，导出了抗热震损伤参数： (1-5)该参数也称为第二类抗热震评价因子。根据该评价参数可以看出，抗热震性能好的材料应具有尽可能高的弹性模量和尽可能低的强度。从材料的强度、弹性模量和泊松比对抗抗热震性能的影响看，抗热震断裂理论与抗热震损伤理论相矛盾。这是因为两种评价理论的所引用的理论基础及其判断依据不同12。两种理论建立模型与标准不同，适用范围不同。抗热震断裂理论建立于陶瓷不存在气孔与微裂纹情况，认为陶瓷材

14、料所受热应力超过材料抗拉强度，材料就断裂，导致灾难性破坏，适用于细晶陶瓷13。抗热震损伤理论建立于陶瓷具有大量气孔与缺陷情况，缺陷不存在相互作用，适用于多孔性陶瓷热震过程中，经裂纹成核、形成、扩展直至最后断裂 14。1.2.3 断裂开始和裂纹扩展的统一理论比较前两种评价理论导出的热震评价因子，可以看出、和对材料的抗热震性能的影响是相悖的。前者注重的是裂纹成核，后者关心的是已有裂纹的扩展。Hasselman为弥补热震断裂理论只注重裂纹成核问题和热震损伤理论只强调裂纹扩展的不足，建立了以断裂力学为基础的“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”。他指出裂纹成核和扩展过程就是热弹性应变能逐步释放而支付新生表面

15、能的过程，并把热裂纹的扩展过程依其扩展特征分为几个阶段15。该理论的力学模型是：一个三维固体在外刚性约束下经历了一个温差而均匀冷却。基于弹性应变能和断裂表面能的相互作用，可以推导出固体潜在裂纹的稳定表达式： （1-6）称为热应力裂纹稳定参数，越大，裂纹越不容易扩展，抗热震性能越好。以上抗热震性评价理论有诸多前提，如陶瓷材料为完全脆性，材料性能本质上与温度无关，材料为均质且各向同性等，而且实际影响陶瓷抗热震性能的参数极多且较复杂，所以它们不可避免与实际试验结果存在一定偏差， 甚至是出现相矛盾的结果。1.3 陶瓷材料的抗热震性1.3.1 抗热震性的含义陶瓷材料的抗热震性能主要指材料经受一定程度的温

16、度骤变而不致被破坏的能力，它是受热条件下材料力学性能和热学性能的综合体现。陶瓷材料的热震破坏可分为热冲击作用下的瞬时断裂和热冲击循环作用下的开裂、剥落、直至整体破坏两类16。影响材料抗热震性能的主要因素有：材料的热膨胀系数、导热系数、弹性模量、材料固有强度、断裂韧性等。陶瓷材料的抗热震性测试最常用的方法是急冷-强度法17。即将试样直接从高温淬入水中水冷或放在空气中风冷，然后测试它的强度残余率，或找出强度不产生大幅下降的临界温差。 影响陶瓷抗热震性的因素力学因素材料的力学性能（机械性能）关系到材料的使用情况，按照材料的使用要求，陶瓷材料往往需要较高的室温强度、一定的断裂韧性和较高的硬度及耐磨损等

17、特性。陶瓷材料的力学性能是材料投入使用的前提，也是影响陶瓷抗热震性的重要因素。与陶瓷抗热震性关系密切的力学性能有：抗弯强度、断裂韧性和弹性模量等。（一） 抗弯强度矩形截面受到垂直应力时，受拉面断裂时的最大应力称为陶瓷材料的抗弯强度。材料强度包括抗弯强度、抗压强度及抗拉强度（又称断裂强度）。陶瓷材料的强度主要是原子间的结合力决定的，克服了原子间的结合力，材料才会发生断裂。原子之间的结合力与原子之间的具体的关系如图1-1.陶瓷材料的强度与材料的显微结构、尺寸和温度等密切相关。晶粒直径与陶瓷材料强度的半经验关系18： （1-7）式中，为经验指数，f为材料强度，k为一比例常数，与材料结构和显微结构相关

18、。从公式1-7可以看出：晶粒尺寸越小，材料的固有强度越大。图1-1 原子间距离和结合力Fig. 1-1 the distance between atoms and binding force陶瓷材料的气孔与陶瓷强度的关系如下公式： （1-8）式中，f为材料强度，0为不存在气孔时陶瓷材料的强度，p为气孔率，b为材料本身的常数。从公式1-8可以得出这样的结论：当陶瓷材料中存在气孔时，陶瓷材料的抗弯强度会发生下降，气孔越多，强度越小；气孔的存在主要是降低了陶瓷的受力截面积和导致应力集中，从而降低了陶瓷材料的强度。晶界对陶瓷的强度也有很大的影响，晶界的成分、性质和厚度决定了晶界强度19，晶界强度又反

19、过来作用于陶瓷的强度。陶瓷材料的尺寸和材料所处的温度环境也会影响陶瓷的抗弯强度，对于尺寸，主要是大尺寸陶瓷材料中存在更多的缺陷和裂纹，这会影响陶瓷内部的应力分布；而对于温度，大多数陶瓷材料在低于800时，材料强度变化不大，但当温度继续升高时，材料在高温情况下可能会发生稍许的变形，这时的陶瓷材料的强度会发生较大程度的变化。现在常用的抗弯强度的测试方法为：三点抗弯20和四点抗弯21两种。本论文测量的强度是在国标尺寸和室温下进行的，采用的是三点抗弯的测试方法。（二） 断裂韧性 断裂韧性22是衡量材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料力学性能的最重要的指标之一。陶瓷材料中的裂纹扩展和断裂问题是陶瓷研究的一个重

20、要的方向，陶瓷材料是脆性材料，裂纹尖端塑性23远小于陶瓷的裂纹长度，因此可以通过线弹性力学来研究裂纹问题。断裂韧性是衡量材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料力学性能的最重要的指标之一。线弹性断裂力学的中裂纹的承载模式有下面三种：单轴拉伸模式、平面内剪切模式和平面外剪切模式。具体的示意图见图1-2。：单轴拉伸模式 ：平面内剪切模式 ：平面外剪切模式图1-2 三种裂纹的承载模式Fig. 1-2 tree models of crack陶瓷材料的裂纹扩展主要属于单轴拉伸模型，根据模型可以得出应力强度因子的表达式： （1-9）式中，Y：无量纲与裂纹的尺寸，样条形状及加载方式等相关，a为材料裂纹长度，KI为应

21、力强度因子，为陶瓷所受到的张力。当KI达到一个临界值时，张应力增大，并且足够使裂纹发生失稳导致材料的断裂，此时的KI称为临界应力强度因子，即断裂韧性，具体的表达式如下： （1-10）式中，Y：无量纲，a为材料裂纹长度，KIC为断裂韧性，f为陶瓷所受到的张力。断裂韧性是材料微观结构与结构的函数，与裂纹尺寸、形状及加载作用力没有关系。现在常用的断裂韧性的测试方法有两种，单边切口梁法24（SENB法）：通过人工引进一条线性裂纹；压痕法：通过压痕引入四角裂纹。本论文采用单边切口梁法来测量材料的断裂韧性。（三） 弹性模量 通常材料在变形过程中会经历三个阶段：弹性形变、塑性形变和断裂。一般的金属材料在变形

22、过程中这样的三个过程都会经历，但对于陶瓷材料基本不存在塑性变形，直接从弹性形变到发生脆性断裂。弹性形变在微观上的解释是：构成材料的原子或分子或离子在外力作用下离开平衡位置后又回到原位并且释放外力的过程。 材料在发生弹性形变过程中的应力与应变符合胡克定律。具体的示意图见1-3图。图1-3 金属材料与陶瓷材料的应力-应变关系曲线Fig. 1-3 the relationship between stress and strain of mental and ceramics胡克定律的表达式： （1-11）式中，E称为弹性模量，又叫杨氏模量；是应力；为应变。如果材料的弹性模量越大，说明其原子间的结合

23、力越强。上图1-3中金属材料与陶瓷材料处于弹性形变阶段时，对应直线部分的斜率就是材料的弹性模量。弹性模量有大类的测试方法：静态法和动态法。静态法是采用了载荷-挠度（f）曲线，采用三点抗弯的测试方法，保持恒温及缓慢的加载速度。 （1-12）式中，f1，f2分别是载荷为P1和P2是的挠度，l为支点间的跨距，b为陶瓷材料的宽度，h为陶瓷材料的厚度。动态法较复杂，但测定时间短，精度高。采用的原理：弯曲共振法。通过测试共振频率来测试材料的弹性模量。具体的公式如下： , （1-13）式中，G为中间变量，没有实际的意义；M为试样的质量；lt为式样的长度；t为试样的厚度；fres为共振频率。弹性模量可以用来表

24、征材料产生弹性变形难易程度，弹性模量越大，材料发生弹性变形的应力也越大，这说明材料刚度越大，也就是说一定应力作用下，发生弹性变形越小。这只是衡量材料抗热震性的一个因素，不能单独的通过弹性模量来判断材料抗热冲击能的优劣。热学因素陶瓷或陶瓷制品都在一定温度的环境下使用，在使用过程中，可能会出现升温及降温过程，这时陶瓷制品表现出了不同的热物理性能，即材料的热学性能。陶瓷材料抗热震性紧密相关的热学性能有：热容、热导率和热膨胀。（一）热容材料升温和降温的过程中，材料本身会涉及热量的变化。在材料不发生相变或反应的条件下，材料在温度上升的过程中，温度上升1 K时所吸收的热量称之为该材料的热容，单位为J/K。

25、热容的表达式可表示为： （1-14） 式中，Q为热量，T为温度，C为热容。工程上常使用平均热容：单位质量的材料从T1到T2（T2 T1）吸收的热量的平均值： （1-15）式中，m为材料的质量，c均为平均热容，Q为吸收的热量。作为材料的一个重要的热学性能，这能衡量在冷热循环过程中陶瓷材料放出或吸收的热量，这直接关系到材料所受到热应力的大小。（二）热导率 固体材料的两端的温度不同时，热量会从热端自动的传到冷端的想象称为热传导26。热传导的微观机理：气体的传导主要通过气体分子的碰撞来实现；而对于固体材料，材料中的质点不能通过碰撞来实现热传导，因为质点只能在平衡位置作微振动，固体材料的热传导主要依赖于

26、晶格振动的格波和自由电子的运动。金属材料通过自由电子来导热，由于金属中存在大量的自由电子，所以能迅速的传热；对于非金属材料，比如离子晶体，材料中自由电子极少，它的热传导主要通过晶格振动来实现，所以导热一般较差。对于各向同性的材料，热导率的表达式为： （1-16）式中，为材料的热导率或导热系数，为材料沿x轴方向的温度梯度，Q为材料在t时间内通过材料x轴方向的截面积S的热量。导热系数的影响因素：温度、晶格结构、化学组成和气孔等。导热系数是陶瓷材料在受到冷热冲击时，能否及时的释放热量而松弛热应力的能力，它是陶瓷材料抗热震性好坏的重要因素。（三）热膨胀系数热膨胀系数是固相材料中重要的性能参数之一。热膨

27、胀是材料的体积或长度随着材料温度的升高而增大的现象。固体材料的热膨胀本质：随着温度的变化，固相材料中点阵结构的质点间的距离会发生变化。材料的热膨胀系数与材料的晶体结构、化学组成和结合键强度等因素密切相关。线膨胀系数的表达式为： （1-17）式中，l为线膨胀系数，l0为试样的原始长度，l是试样在t时间内试样的长度变化量。体膨胀系数的表达式： （1-18）式中，v为体膨胀系数，Vc是试样的原始体积，Vt是试样在t时间内由于温度升高体积发生变化后的实际体积。对于复相陶瓷材料（假设材料为各向同性），复相材料的线膨胀系数与单相的线膨胀系数有如下的关系式27： （1-19）式中，为复相陶瓷的线膨胀系数；i

28、为i相的线膨胀系数i为i相的密度，wi为i相的质量分数，Ki为i相的体积模量。陶瓷制品在使用或加工过程中往往会考虑不同相之间的热膨胀系数匹配或适配的情况。比如，考虑将材料封接的严密时，常常要求焊料与陶瓷本身的热膨胀系数尽量保持一致；但对于在陶瓷表面上釉料时，常选取热膨胀系数比配体材料稍小的釉料，为了在烧结或使用过程中，通过热膨胀系数的失配产生内应力来提高陶瓷的强度。有时表征材料抗热震性时也用在一定温度范围内的平均热膨胀系数，本实验采用的是在25-800时的平均线膨胀系数。 抗热震性评价手段从部分介绍的材料抗热震性研究理论就不难发现，影响材料的抗热震的因素有很多，陶瓷材料的抗热震性评价手段还没有

29、统一的标准。有研究者28通过测试陶瓷材料热震前后的弹性模量来表征材料的抗冷热冲击的能力；同时有研究者29先通过压痕法在陶瓷表面制造裂纹，然后用光学显微镜观察热震前后陶瓷表面产生的裂纹长度的对比来衡量陶瓷抗热震性的好坏；李家茂等30通过计算陶瓷材料在热震前后的残余强度损失率来表征陶瓷材料抗热震性，还有其他种评价手段就不一一列举。下面重点介绍用的最普遍的临界温差和本课题组提出的抗热震性指数两种评价陶瓷材料的抗热震性的方法。（一）临界温差将样条加热到一定的温度后，迅速的放入到冷水（或沸水）中，做单次热震后，样条的强度不发生明显下降的最大温差称为临界温差。材料出现强度明显下降时由于在高强度的热冲击下，

30、材料内部的裂纹在较大的热应力下发生长大和扩展到最后的材料断裂的过程。欧洲标准、中国标准和美国标准均采用临界温差或类似于临界温差的表征方法来衡量陶瓷材料的抗热震性。（二）抗热震性指数（）图1-4 多次热震循环下的损伤饱和行为Fig. 1-4 Thermal shock damage saturation as a function of number of cycles抗热震性指数是在大量的实验基础上提出的29，将实验样条加热到600 ，然后放入保持恒温（常温）的水中做淬冷实验。以热震后强度与热震次数作图，发现：陶瓷强度在临界温差处会出现强度大幅度的降低，但随着热震次数的继续增加，材料的残余强度

31、基本保持不变，材料的残余强度会出现热震损伤饱和的阶段，具体的过程见图1-4。从大量的实验数据中可以发现：材料在热震前后强度的保持程度可以用来表征材料抗热震性的优劣。抗热震性指数能适用于绝大多数陶瓷材料，抗热震性指数测试的温差可视具体情况而定，本教研室采用600 是考虑到实验条件，并且本教研室研究的陶瓷材料的临界温差均小于或略小于600 。在600 热震条件下出现炸裂的，残余强度认为是0 MPa，比如，钛酸铅钡在5次热震后会炸裂。这种情况定义钛酸铅钡的抗热震性指数为0。1.3.4 提高陶瓷材料抗热震性的途径陶瓷材料的热震破坏主要是由材料内部的热应力所引起。陶瓷抗热震性是其力学性能和热学性能的综合

32、表现，因此，如热膨胀系数、热导率、强度、断裂韧性和弹性模量等热力学和力学性能是影响陶瓷抗热震性的主要因素。提高陶瓷材料抗热震性能的措施，主要是根据上述影响抗热震性的因素对材料进行设计与调整。在实际生产工艺中，上述这些因素只能通过材料组分选择、显微结构设计以及材料的热处理等进行调控。下面将简单介绍一下目前提高陶瓷材料抗热震性能的主要途径。（一）提高材料的热导率。热导率大的材料传递热量快，使得材料内外温度梯度小，因而降低了短时间热应力的聚集，这样对材料的抗热震性有利。（二）材料的热膨胀系数越低，陶瓷材料在热冲击环境下产生的热应力越小。（三）材料表面的散热速率。如果材料表面向外散热快，材料内、外温差

33、变大，形成压应力，对材料的抗热震性有利。（四）气孔率有利于抗热震性能，气孔的存在往往能缓冲热应力对材料的冲击。材料或制品的几何形状、厚度均对材料的抗热震性能有一定影响，薄的构件传热通道短，容易很快使材料内部温度均匀。（五）提高材料强度，减小弹性模量。这就意味着提高了材料的韧性，能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了抗热震性能。1.4 抗热震评价方法的研究进展目前，对于抗热震性虽然有一定的理论解释，但尚不完善，还不能建立反映实际材料或器件在各种场合下抗热震性能的数学模型。因此，现在对于材料或制品的抗热震性评价，一般还是采用比较直观的测定方法31。在提高陶瓷抗热震性能方面有许多的研究者做了大

34、量的工作，但是有关陶瓷抗热震性能评价方面的研究报道较少。某些高温陶瓷材料以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测定其抗弯曲强度的损失率来评价它的抗热震性。总之，对于无机材料尤其是制品的抗热震性能，尚需提出一些评价因子。陶瓷材料在经受频繁的冷热冲击，会引起强度、弹性模量、裂纹等性能参数的变化。根据这些参数的变化，产生了陶瓷抗热震性评价的不同方法。1、日用陶瓷通常采用材料出现表观裂纹时，所经历的热震循环次数或热震温差来评价材料抗热震性能的优劣。韩亚苓等人将Al2O3和堇青石的复相陶瓷置于1500炉体中，保温一段时间后将试样取出使其在空气中自然冷却，观察试样表面是否开裂以检测该复相陶瓷的抗热震性能。贾

35、贞32等人也是通过观察在一定热震温差下测试的样品表面有无裂纹或釉面的剥离现象来评价建筑卫生陶瓷的抗热震性能。2、普通耐火材料将试样的一端加热到一定温度，急冷之后直至试样失重20%的次数来表征抗热震性能33。3、工程陶瓷常常采用在某一温度下单次热震后，残余弯曲强度值r或残余弹性模量E 来评价抗热震性能的优劣。强度残余法的评价依据，主要是由于温度急剧变化，使材料产生热应力。当材料表面受到张应力时，且表面张应力的值大到一定程度时，其表面储存的热弹性应变能大于微裂纹成核的断裂表面能时，就会在表面产生微裂纹，造成表面缺陷，使强度下降34,35。4、压痕淬冷模型应用于陶瓷材料抗热震性能的评价，加热到不同温

36、度，快速放入到冷却介质中淬冷，用光学显微镜测量试样裂纹长度，计算裂纹增长率，以此评价陶瓷抗热震性36。5、热震温差法现在是应用最为广泛的方法，它分别可以通过两种测试表征手段来得出材料抗热震临界温差值，分别为强度淬冷法和压痕淬冷法，但两种方法之间的评价依据是不一样的36。M.Posara等28制备了堇青石和碳化硅复相陶瓷，通过超声波速率法测定该材料热震前后弹性模量的变化来评价其抵抗热应力冲击的能力。研究试样在经受950水冷热震后，多次热震后其材料密度和弹性模量29的变化。因为热震后的材料内部会产生了一定数量的裂纹，使得材料的致密度和弹性模量变小。D.N. Boccaccini29等人和M. Di

37、mitrijevic30等人也通过超声脉冲速度法测试热震前后经过试样的速度变化来评价材料的抗热震性能。1.5 陶瓷材料抗热震性能评价标准1.5.1 中国标准我国的有关陶瓷抗热震性试验评价标准的主要方法是将加热后的陶瓷试样在水中急冷后，得出单次热震后弯曲强度值不明显下降时的最大温差T。将最大温差值作为材料抗热震性的评价指标另外一种测试评价方法是采用渗透探伤法观察试样表面，找出试样热震后其表面不产生开裂的最大温差值作为材料抗热震性的评价指标。1.5.2 美国标准为了使得陶瓷材料之间抗热震性能之间更具有可比性，美国标准设定材料单次热震后，弯曲强度值下降30%时热震温差T为评价指标。然而，为了测量出试

38、样热震后强度下降30%的点，该测试方法工作量较大。1.5.3 欧洲标准欧洲标准33测定抗热震性能的方法是将加热后的规则长条试样，急速冷却至水中，测试热震后试样的强度，将强度突然下降时的温差T作为临界温差值，即为陶瓷抗热震性能的指标。各种评价标准之间，其试验方法相差基本不大，且都是根据热震温差值来评价材料的抗热震性能，只是选取的评价角度不一样。1.7 课题的引入目前，氧化铝基陶瓷研究非常活跃，对其抗热震性的研究也较多。抗热震性研究主要集中在晶粒大小、不同体系复合、空隙度36等对材料的热震影响规律上,而升降温制度对于陶瓷材料抗热震性能影响的研究还比较少。因此,本课题主要研究经过不同热震制度后，Al

39、2O3和7 wt% SiC/Al2O3的抗热震性指数的变化。采取常压空气气氛烧结35，经过水冷热震，再采取各种分析手段，如XRD, SEM等，探究升降温制度对陶瓷材料抗热震性指数的影响，进而得出影响陶瓷材料的比较小的热震制度。第二章 实验及表征方法2.1 实验原料表2-1 Al2O3原料成分Tab.2-1 compositions of Al2O3成份Al2O3 Y2O3 SiO2MgO La2O3CaO ClNa2OSO398.40.50.3 0.20.2 0.20.06 0.060.03Al2O3原料的处理：1）常压空气气氛下将氧化铝原料在500的炉子里加热两个小时，进行排胶；2）过80目

40、筛，然后加入约10-12%的PVA进行造粒，再过40目的筛；3）将造粒完的料静置。表2-2 SiC原料成分Tab.2-2 compositions of SiCSiC原料ElementsSiOCaFeClTiNaWeight(wt%)98.11.70.070.070.030.030.01SiC原料的处理1) 按计算好的SiC与Al2O3的7 wt% SiC/Al2O3比值分别称取原料，置于球磨罐中；2) 置于行星式球磨机上，然后以300r/min的转速球磨大约1.5h，湿法球磨；3) 将球磨后的料置于干燥箱中，90下干燥24h；4) 将干燥后的料研磨，过80目筛，然后加入约10-12%的PVA

41、进行造粒，再过40目的筛；5) 将造粒完的料静置。2.2 实验设备和仪器实验所用主要设备如表2-3所示。表2-3 实验设备Table 2-3 Experimental equipments仪器名称仪器型号生产厂家电子天平FA2004上海恒平科学仪器有限公司变频行星式球磨机QM-1SP4南京大学仪器厂实验电炉WN-17M南京维能窑炉科技有限公司手动平磨机SZ150上海机床厂机电技术服务公司SB手扳试制样机QYL20D湖南湘潭仪器仪表厂旋片式真空泵2XZ-01台州市椒江宏兴真空设备厂微机控制万能试验机RGWT-4002深圳瑞格尔仪器有限公司电热鼓风干燥箱DHG-9245A上海一恒科学仪器有限公司抗

42、热震测试仪AT-02南京霄科纳米开发有限公司扫描电子显微镜JSM-5900JEOL2.3 试样制备实验具体的工艺流程如图2-1所示:图2-1实验工艺流程图Fig. 2-1 Schematic illustration of process chart for raw material1） 在50MPa的压力下用手动压机进行干压成型，每根试条用料为6g，每种方案压54根条；2） 将压好的试样至于空气气氛中烧成，烧成温度1600，烧成时间为2h。具体烧成制度如图2-2所示100/h3/min2/min16001000500100120 min冷却1600图2-2 烧成制度Fig. 2-2 Temp

43、erature schedule2.4 实验方法及表征2.4.1 体积密度及显气孔率试样的显气孔率和体积密度根据GB/T2997-2000的规定，采用阿基米德排水法来测试，然后通过公式2-1和2-2分别来计算：显气孔率： （2-1）体积密度： （2-2）式中 q：试样的显气孔率(%)； m1：试样的干燥重量(g)；m2：饱和试样在空气中的重量(g)；m3：饱和试样在水中的重量(g)；2.4.2 抗弯曲强度本实验采用三点弯曲法测量试样的抗弯强度，测试的标准依据国标GB6569-86中的规定。如图2-3所示，将符合规范的长方体试样放置在专用夹具上，试样的受压横断面平行于十字压头移动的方向，跨距30

44、 mm,十字压头加载速度为0.5 mm/min，记录试样断裂瞬间的载荷值。三点弯曲法测定抗弯强度的计算公式为： (2-3)式中： ：三点弯曲强度(MPa)； P：试样断裂时最大载荷(N)；L：跨距(mm)；b：试样断裂处宽度(mm);h：试样断裂处高度(mm)；图2-3 三点抗弯强度测试示意图Fig. 2-3 Schematic diagram of the three-point bending test2.4.3 抗热震性能测试图2-4抗热震性实验装置示意图Fig.2-4 Schematic diagram of thermal shock resistance experimental

45、facility抗热震性主要指陶瓷材料承受一定程度的温度急剧变化而不致破坏的能力。衡量这一性能的方法有很多，但是目前国际上并没有一种公认的统一标准。本文采用的实验装置为本研究室设计的全自动抗热震性能测试装置(图2-4)。将试条按抗弯强度测试方法中的要求，加工成高3mm、宽4mm、长度大于36mm的标准试样，置于实验装置中的加热炉中，热震温差设定在600，保温一定时间后置于水中冷却2秒，再迅速地回到加热炉中，即完成一次热冲击，一次循环总时间为2分50秒。如此循环若干次数，测试试样经过热冲击以后的抗弯强度，然后与试样原始抗弯强度相比较，来研究材料热冲击前后的强度变化行为。 2.4.4 XRD物相分

46、析材料的物相通过理学D/max-型X射线衍射仪进行定性分析。将试样磨成粉末制样，实验条件为CuK靶，工作电压为45 KV，工作电流为40 mA，扫描速度为10 °/min，步长为0.02°。2.4.5 扫描电镜（SEM）观察本实验采用的扫面电子显微镜为日本电子JOEL公司JEM型显微镜。首先将试样断面用导电胶带固定在基座上，喷金半小时到一小时之后，用扫描电子显微镜观察试样的断面形貌，包括晶粒的大小、形态、气孔的分布、断面的形态等，放大倍率范围从1010000倍，本实验主要观察倍数为10005000倍。2.5 本章小结本章首先列出了论文研究所需的原料以及主要的实验设备。简要介

47、绍了实验中所应用的测试和表征方法如扫描电子显微镜、气孔率的测量、抗弯强度和抗热震性等的测试原理。第三章 实验结果与讨论3.1 不同热震次数及热震制度对纯Al2O3抗热震性的影响图3-1 纯Al2O3不同热震次数及热震制度的残余强度图Fig.3-1 The residual strength of pure Al2O3 with different number of thermal shock and thermal shock systems图3-1是纯Al2O3陶瓷在不同的温差和不同热震制度下多次热震循环后的强度变化图。从图中可以看出，氧化铝陶瓷在热震之后，强度均出现了急剧的下降，随后趋于

48、稳定。 600 下经过5次，10次循环热震与200 下热震5次，300 下热震10次的残余强度相差很小。然而，10次热震后，600 测试的材料残余强度均略大于400 下20次热震和500下30次热震后的残余强度。这可能是因为陶瓷材料强度的离散型和实验误差所致。但从整体上看，氧化铝陶瓷经受多次热震后，材料的残余强度变化较小，基本上保持在某一定值处上下波动。 随着热震循环次数的增多，残余强度的变化较小可能是由于材料热震后试样就出现了尺寸较大的裂纹和缺陷，这些都能够在一定程度上缓冲热应力对材料的破坏。 3.1.1热震次数对纯Al2O3残余强度的影响图3-2 纯Al2O3不同热震次数下纯氧化铝的残余强

49、度Fig.3-2 The residual strength of pure Al2O3 0f different thermal shock times 图3-2是纯Al2O3在600 下热震次数与残余强度的关系图。可以发现，热震后Al2O3陶瓷的强度急剧减小，10次以前波动较大，20次以后趋于平稳。热震10次的时候出现一个极大峰值103.5MPa，这可能是由于陶瓷材料强度的离散型和实验误差导致的。随后热震的残余强度变化很小，很可能是由于前面生成的裂纹上有有新的小的微裂纹生成，这对后面热震产生的裂纹有一定的阻碍作用，缓解了裂纹的扩张。 升降温制度对纯Al2O3抗热震性指数的影响 图3-3是纯

50、Al2O3在两种不同的热震制度下所得的抗热震性指数与热震循环次数的关系。由图可以发现，两种热震制度下的20次，40次热震后的TSRI相差很小，而30次，50次热震后的TSRI相差较大，相差率为12%和13%，相对而言差异还是很小的。600 下的TSRI在23-30的范围内波动，且波动很小，在10次时为最大值，往后缓慢增大；在200-600下逐次热震（200下热震10次后，升温至300再热震10次以此类推直到600 共热震50次；往后另取一批样品再从300 开始逐次热震40次，以此类推到从600 热震10次，共5批样品），所得抗热震性指数在22-30之间，波动同样很小。这说明不同的热震制度对纯A

51、l2O3陶瓷的抗热震性指数影响很小，由于陶瓷材料抗热震性指数的离散型和实验误差，两批试样所得数据还是有一些偏差的，但这并不影响我们所得结论的正确性。图3-3 纯氧化铝不同热震制度的TSRI值Fig.3-3 TSRI of pure Al2O3 of different thermal shock systems3.2 不同热震次数及热震制度对7 wt% SiC/Al2O3抗热震性的影响3.2.1 热震次数对7 wt% SiC/Al2O3残余强度的影响图3-4 7 wt% SiC/Al2O3不同热震次数下复相陶瓷的残余强度Fig.3-4 The residual strength of 7 wt

52、% SiC/Al2O3 with different thermal shock times图3-4是600 下7 wt% SiC/Al2O3复相陶瓷的残余强度与循环热震次数的关系图。从图中可以看到，热震后抗弯曲强度骤降，幅度很大。在20次热震时出现峰值为66MPa,0-20次热震残余强度变化没有规律但基本是围绕60MPa变化的，20次以后残余强度成减小趋势，50次时为最小为51.8MPa，相对于20次峰值的变化率为9%，说明相差很小。这种现象可能是由于随着热震次数的增加，陶瓷残料内部的微裂纹不断增多并长大，使得残余强度一步步减小，但同时也发现变化很缓慢，说明热震次数的增多对陶瓷残料的残余强度

53、的影响越来越小，将会出现饱和。3.2.2 升降温热震制度对7 wt% SiC/Al2O3抗热震性指数的影响图3-5 7wt%SiCAl2O3不同热震制度Fig.3-5 Different thermal shock systems with 7 wt% SiC/Al2O3图3-5是7 wt% SiC/Al2O3复相陶瓷在两种不同的热震制度下所得的抗热震性指数与热震循环次数的关系。从图中比较可以发现600 下7 wt% SiC/Al2O3复相陶瓷的抗热震性指数没有在200-600 热震制度下的稳定，且前者在20次后为依次减小，而后者为依次增大。总的来看，两种热震制度对复相陶瓷材料抗热震性指数的影响是比较小的，两者很接近，比如50次时相差最大仅为6.7。这说明升降温制度对7 wt% SiC/Al2O3复相陶瓷抗热震性指数的影响是很小的。3.3 SiC的加入对两种热震制度下陶瓷材料抗热震性的影响图3-6 SiC的加入对陶瓷抗热震性的影响Fig.3-6 Effect of SiC addition on the thermal shock resistance of ceramics图3-7 SiC的加入及热震制度对陶瓷抗热震性的影响Fig.3-7 Effect of SiC additio