Al2O3 陶瓷抗热震性能的研究

周圆圆 ，胡继林 ，代长贵

（1. 湖南人文科技学院 材料与环境工程学院，娄底417000；2. 湖南人文科技学院 精细陶瓷与粉体材料湖南省重点实验室，娄底417000）

1 引言

Al2O3陶瓷具有许多优点，如较高的强度、较大的硬度、良好的耐磨性和耐高温性、较好的热导率、抗化学侵蚀性和电绝缘性等［1］。在现代工程技术中，Al2O3陶瓷在许多领域中获得广泛应用，如军事武器、医疗器械、光学元件、航空航天、化工和石油炼制等［2］。但Al2O3陶瓷存在着抗热震性差的缺点，这使得其应用范围受到了一定的限制。

抗热震性是指材料承受温度的急剧变化而不被破坏的能力。当陶瓷处于高温环境下时，受到温度骤变引起的热冲击，一旦温度再次变化就会引起较大的应力梯度。陶瓷材料的各向异性膨胀系数造成的高热应力，一般为80MPa～100MPa，这容易导致陶瓷材料出现损伤或断裂［3］。陶瓷材料的热应力决定了它的抗热震性能，而热应力主要受陶瓷材料力学性能和热学性能的影响。此外，材料的厚度、几何形状等因素也不可忽视［4］。单相Al2O3陶瓷的临界热震温差为200℃，限制了其在热震环境下的使用［5］。相比于单相Al2O3陶瓷，Al2O3基复相陶瓷具有更加优越的力学性能，因而其抗热震性也更受瞩目［6］。

2 影响Al2O3 陶瓷抗热震性能的主要因素

2.1 Al2O3 陶瓷的力学性能

材料的力学性能是指陶瓷材料在不同环境（压强、温度等）下，施加各种载荷（挤压、摩擦、冲击等），陶瓷材料所表现出的力学特征。与Al2O3陶瓷材料抗热震性相关的力学性能主要有断裂韧性、抗弯强度和弹性模量等［1］。Deng JX 等［7］采用超声抛光技术处理Al2O3/TiC/Mo/Ni 陶瓷表面，发现处理后的陶瓷强度大大提高，抗热震性能也更好。Maensiri S 等［8］通过对比磨削后的Al2O3陶瓷和抛光后的Al2O3陶瓷，发现前者的热稳定性显著优于后者，因而磨削后的陶瓷热稳定性能更好。

陶瓷材料在常温下几乎不可能产生塑性变形（脆性断裂），在高热震环境下，陶瓷材料的弹性变形一旦达到极限程度时，就会发生断裂。材料中裂纹一旦扩展到一定程度，就会立即达到失稳态，之后裂纹迅速扩展造成不可逆的损伤。

陶瓷材料的断裂韧性一方面可以判断材料塑性优劣，也可以作为衡量抵抗裂纹扩展能力的标准，也就是抵抗脆性破坏的能力。裂纹扩展有三种形式：掰开型（I 型）、错开型（II 型）、撕开型（III 型）［9］，断裂韧性的表达式如下［10］：

式（1）中，E 为弹性模量，γ 为表面能。

影响陶瓷材料的抗弯强度的因素有很多，如气孔率，同样的材料组分，气孔率小的强度高。此外，晶粒尺寸和形状、晶界相的性质等也对陶瓷材料的抗弯强度有着显著影响。

2.2 Al2O3 陶瓷的热学性能

陶瓷材料的抗热震性主要受热膨胀系数和热导率这两方面的影响。热膨胀是指陶瓷材料在外界条件（压强、介质等）相同的条件下，温度升高，出现热胀冷缩的现象。这种现象的产生与温度、热容等因素有关，主要受相变、材料组分、各向异性的影响。热膨胀系数小的陶瓷材料，耐高温性能优越，产生的热应力小。例如石英玻璃的热膨胀系数并不高（109MPa），σ/E 相比于其他陶瓷高一些，因此石英玻璃的抗热震性好［11］。其他如堇青石陶瓷、锂辉石陶瓷和熔融石英陶瓷因热膨胀系数小，都具有优良的抗热震性［12］。

热导率是指陶瓷材料在稳定传热条件下，单位时间里通过单位面积的热量［13］。基于这一点，对单位面积和温度梯度的改变，就能调节材料受到的热冲击大小。引入添加剂或者调节气孔大小都是提高陶瓷材料热导率的有效方法。热导率和温度梯度之间的函数关系如下：

该式中，当P=0 时，K0为陶瓷材料的热导率。由上式可以得出：热导率大，材料内温度梯度会减小，温差应力就小，热稳定性就好［14］。

3 提高Al2O3 陶瓷抗热震性能的途径

提高陶瓷抗热震性能的途径，主要有以下几种思路：（1）减小材料的弹性模量；（2）提高材料强度；（3）减小热膨胀系数；（4）提高热导率。材料组分选择和显微结构调控对氧化铝陶瓷抗热震性有非常重要的影响。一些热学和力学参数，如热膨胀系数、热导率、弹性模量、断裂能是影响陶瓷抗热震性的主要参数，在陶瓷材料的配方设计中适当地引入晶须、颗粒等第二相，可以一定程度上改善陶瓷材料的抗热震性能［15］。

3.1 材料组分选择对Al2O3 陶瓷抗热震性的影响

如前面所述，影响氧化铝陶瓷的抗热震性主要有两大因素（力学性能和热学性能），基于此，可以通过选择合适材料组分、合理设计材料配方来提高氧化铝陶瓷的抗热震性。

3.1.1 纤维/晶须增韧

在Al2O3陶瓷中引入纤维，制备出复相陶瓷，相比于单相Al2O3陶瓷，韧性得到明显改善，断裂行为也发生了转变，前者是非脆性断裂，后者是脆性断裂。有研究发现［16］，当在Al2O3陶瓷基体中引入与其物理化学性能十分相容的ZrO2纤维时，抗热震性得到了明显的提高。氧化锆纤维的加入，使得材料在制备烧结过程中会引入气孔，而气孔的存在可以改善Al2O3陶瓷材料的力学性能，降低材料的导热系数。

3.1.2 热膨胀失配

在Al2O3陶瓷基体中引入添加剂，热膨胀系数差异的存在，导致陶瓷在冷却时，内部出现大量显微裂纹，强度降低，增大了断裂能。陈宁等［17］以堇青石、莫来石、高岭土和氧化铝微粉为原料，在1370℃下保温3h 获得具有较高抗热震性的堇青石-莫来石窑具材料。Zhang L 等［18］所制备的堇青石/莫来石/Al2O3复相陶瓷具有低的热膨胀系数、高的抗弯强度和杨氏模量，使复相陶瓷具有优异的抗热震性能。Kuscer D 等［19］研究了Al2O3颗粒大小对堇青石陶瓷显微结构、抗弯强度和热膨胀系数的影响，研究发现，体系中的Al2O3颗粒起着夹杂物的作用，裂纹的轨迹被偏转或终止，细小的Al2O3颗粒有助于增加堇青石陶瓷的抗弯强度和热膨胀系数。

3.1.3 第二相颗粒增韧

该法一般选用延展性较好的金属颗粒，一方面可以降低Al2O3陶瓷的脆性，另一方面在烧结过程中，金属颗粒也可以充当烧结助剂的角色。金属颗粒增韧氧化铝陶瓷可以有效提高陶瓷材料的抗热震性。王水庆等［20］在陶瓷基体中加入一定量的铜颗粒，通过热压烧结，制备了Al2O3-Cu 复相陶瓷，经过一定的性能测试，发现氧化铝陶瓷的强度、韧性和导热系数得到大幅度提高。金属间化合物可以作为金属颗粒的替代，同时进一步改善复相陶瓷性能，李嘉等［21］通过制备新型的Al2O3-FeAl 金属间化合物复相材料，发现材料的抗热震性获得成倍提高。

3.1.4 元素掺杂氧化铝

赵晓亮等［22］利用溶胶凝胶法合成高比表面积和高热稳定性的硅掺杂有序介孔氧化铝，有效地抑制γ-Al2O3的相变，同时维持较高的比表面积，从而有效提高了有序介孔氧化铝的热稳定性。张国等［23］通过研究La-Sr 掺杂和助成胶剂对Al2O3热稳定性的影响，发现La、Sr 物种的共掺杂可以提高Al2O3陶瓷的热稳定性。La、Sr 与Al2O3生成复合氧化物，阻止了γ-Al2O3的高温团聚。在γ-Al2O3中掺杂双金属元素La、Ba 同样有利于提高氧化铝的抗热震性能［24］。

3.2 显微结构调控对Al2O3 陶瓷热震性能的影响

显微结构主要是指气孔形状和分布以及晶粒的大小等方面。一般来说，晶粒越细小的陶瓷材料表现出的强度就越高，两者的关系常用Hall-Petch公式来描述［25］：

式（3）中，d 为铁素体晶粒直径，σ0为作用在位错上的摩擦力。

气孔往往能抑制热冲击裂纹，一定量均匀分布的气孔可以减小热膨胀系数，阻止裂纹扩展，孔对材料的导热性和弹性模量起着积极作用［26］。有研究发现多孔陶瓷材料的热冲击损伤抗性高于致密陶瓷的热冲击损伤抗性［27］。

4 Al2O3 陶瓷抗热震性能的测试方法

不同的材料应用于不同的使用场合，对抗热震性的要求也不同。目前Al2O3陶瓷抗热震性能的测试方法主要有：急冷-强度法、压痕-急冷法、红外加热与强气流淬火法［28］、圆盘中心加热法［29］、热气流喷射法［30］等。常采用的方法主要是前两种，其优缺点如表1 所示。

4.1 急冷-强度法

该法是实验室里常用的方法，能定量判断陶瓷材料抗热震性能的优劣。具体做法是：将样品加热到一定温度并保温30min，注意样品要受热均匀，然后迅速投入20℃流水中急冷，或在压缩冷空气下降温，这里的流水和冷空气充当冷却剂的角色，再用三点弯曲法测试剩余抗弯强度。热震前后三点弯曲强度的比值用来反映抗热震性能的高低［31］。

表1 急冷-强度法与压痕-急冷法的优缺点

4.2 压痕-急冷法

Tomas Andersson 及David J. Rondiffe 第一次提出了压痕裂纹扩展的实验方法［32］。具体做法是：在圆柱状试样的表面上打上四个Vickers 压痕，在扫描电镜下测定压痕的裂纹长度，或者用高倍光学显微镜测定，之后的操作与急冷-强度法相似，不同的是本法表征抗热震性能是通过测定裂纹长度的变化情况，计算裂纹增长率。吕珺等［33］采用压痕-急冷法测试了Al2O3-SiCw 和Al2O3-TiCp 两种陶瓷基复合材料的抗热震性能，并与急冷强度法测试结果进行了对比分析，得到了相同的实验结果。因此，在对Al2O3陶瓷样品进行抗热震性能测试时，要结合实际情况选择合适的测试方法。

5 结论

目前市场上对Al2O3陶瓷的需求日益增加，对其性能的要求也越来越高。Al2O3陶瓷的抗热震性对其在高温下的使用具有比较大的影响，改善Al2O3陶瓷的抗热震性具有重要的实际意义和市场价值。随着技术的不断进步与发展，工艺过程得到不断优化，能够提高Al2O3陶瓷抗热震性的第二相材料的种类越来越多，在研究中要结合材料的性能和具体使用要求，选择合适的工艺和原材料种类以制备出抗热震性能优异的Al2O3陶瓷，使Al2O3陶瓷在更多领域获得广泛应用。