高温环境下陶瓷材料弹性性能测试技术分析

闫宇嵩

(贵州省建材产品质量检验检测院，贵州 贵阳 550014)

结构陶瓷材料，不仅有耐高温、耐腐蚀以及耐磨损等优势，其比重也要比其他材料小，当前世界的各国都在致力于用研究高温陶瓷，代替金属材料。 为了强化其性能，借助陶瓷材料高温的抗压试验，分析了陶瓷材料，在高温环境下的物理力性能，如高温三点弯曲、压缩等多种试验；在此基础上对当前高温环境下，陶瓷材料的弹性性能，进行了相关性测试，了解其弯曲强度、压缩强度；在掌握相关数据的基础上，强化此材料结构抵抗弯曲的能力，避免陶瓷材料在后续的应用中，受到高温等客观因素的影响。

1 研究背景

超高声速飞行器使用超高温陶瓷材料在服役过程中常常面临复杂的环境问题。一旦发生损伤，将会导致灾难性后果。因此，提高超高温陶瓷材料的高温强度已成为国内外研究的热点。开展超高声速飞行器UHT材料的高温力学性能研究对于提升其服役可靠性具有重要意义。然而，目前国内外对其高温强度的研究还停留在试验阶段。由于其在高温下的力学性能难以检测，并缺乏统一的测量手段，导致其研究温度与实际应用中所能承受的超高温热压差相差甚远。

目前的高温力学试验方法已无法满足人们对高温力学性能认识的迫切需求。国内外还没有针对超高温防热材料在热力耦合作用下的本构特征与失效机理进行研究，缺乏对超高温陶瓷强韧化的主导机理的调控，也缺乏对其强韧化机理的深入研究[1]，这严重制约了对热力耦合作用下构件性能潜力的发挥，同时也制约了对热力耦合作用下构件特征与失效的准确分析。

目前已有学者利用高温弹性模量的测定获得了UHT陶瓷材料的高温强度。然而，在目前的研究中，UHT陶瓷材料在高温下的力学性能与弹性模量之间仍存在诸多问题，尤其是在高温下。因此，我们迫切需要进行深入的研究。本项目的目标是在已有研究的基础上，构建一套能够反映超高温陶瓷在全温度全过程中强度演变的物理过程和演变过程的本征力学模型。同时，我们将系统地研究不同的损伤形式和微观组织特征尺度等因素对其强度的影响，并对相关因素的敏感度和温度场进行分析。通过开展本项目的研究，我们将能够深入理解影响UHT材料高温性能的多个因素。这将为改善UHT材料的高温性能提供理论基础和方法，包括从微观组织构建和制备等角度。同时，本项目的研究成果将为我国未来高超音速长距离机动飞行器的研制提供技术支撑。

2 现状

在50年代，陶瓷材料是人们日常生活中使用最广泛的材料，包括陶器、砖、瓦、水泥和玻璃。由于陶瓷材料具有优异的物理和力学特性，因此在绝缘材料、防弹防护装置、生物医用植入物、航空发动机涡轮叶片、盘式陶瓷制动器、轴承等众多领域得到广泛应用。在实际工程应用中，陶瓷材料的抗热冲击能力非常重要，因为在运行中，快速的升温和降温会导致热应力，可能导致设备失效。陶瓷材料的化学键主要是离子键和共价键，这些键之间非常牢固且具有明显的方向性。与普通金属相比，陶瓷材料的晶体结构较为复杂，但其表面能较低。因此，陶瓷材料的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性都优于金属。然而，陶瓷材料在塑性、韧性、可加工性、抗热震性和使用可靠性方面又不及金属。

因此，在科研、研制、使用和设计过程中，我们应该充分认识陶瓷的特性和影响因素。陶瓷作为一种脆性材料，在常温下很难发生塑性变形，一旦达到弹性极限，就会发生断裂。因此，弹性性能对陶瓷非常重要。与其他固态物质类似，虎克定律同样适用于陶瓷的弹性变形。虎克定律实质上是指在外力作用下，由于原子间的平衡而引起微小的移动。当这些原子之间的微小偏移达到一定阈值时，将导致化学键的破坏(在常温下)和原子的滑移(在高温下)。弹性模数反映了原子间的距离发生微小改变所需要施加的外力。决定弹性模量的最主要因素是原子间的结合力，这意味着有许多因素会对其产生影响，需要根据具体问题采取相应的对策。

3 影响陶瓷变形的原因

3.1 内在原因

由于模具的复杂性、各部分受力和收缩不均导致变形。陶瓷材料在自重的作用下，纵向收缩比横向收缩更大。在装窑烧成过程中，设备的中心位置偏移导致高温下发生弯曲变形。热应力与制品的造型直接相关。制品比例尺寸、厚薄和形状的不均匀性或不对称性会导致温度梯度或收缩的差异，从而在制品不同部位产生热应力差异。

3.2 外部因素

温度。高级结构陶瓷材料的最大优点是其高温强度远高于其他金属材料，例如高纯硅，氮气含量在1 440以上。由于在高温下仍具有较强的抗裂纹扩展能力和抗蠕变能力，因此被视为一种非常有潜力的航空发动机耐高温构件候选材料。在不含玻璃相的陶瓷中，高温强度主要取决于扩散，而在含玻璃相的陶瓷中，高温强度则主要由玻璃相控制。不同材料的强度对温度的依赖性也各不相同。同时，其破坏机理也从低温时的脆性破坏转变为高温时的塑性破坏，因此产生了一个脆-韧转变温度。一些陶瓷材料，如SiC等，在温度变化过程中，尤其是在脆-韧转变温度附近，其强度会回升形成峰值，然后随温度升高迅速下降。这主要是因为在裂尖附近发生了非晶相结晶，并伴随着裂尖的应力释放。

玻璃相的存在导致材料在高温下的强度降低。为了解决这一问题，可以在材料制备过程中尽量减少使用添加剂，因为添加剂虽然可以提高烧结和致密化，但也会增加玻璃相的含量。目前有两种主要方法来解决这一矛盾：1)提高非晶体的软化点[2]，2)通过热处理促使非晶体结晶。在陶瓷材料中，通常会加入5～20%的添加剂，在晶界或两个晶界之间形成一层约1～2 nm厚的非晶薄层。研究结果表明，氧化硅的含量和分布是影响材料高温性能的主要因素。研究发现，在含有很少SiO2的情况下，SiO2主要分布在晶界上，在1 400℃时，SiO2明显软化，但由于对无定形相的阻碍作用，使其具有很高的强度。相反，如果SiO2含量较大，就会在晶界形成一层很厚的非晶薄层，在高温下，即使是很低的应力，也会导致应力集中，从而引发裂纹和晶界滑移，降低材料的强度。以前的研究已经使用内耗法对Si与温度的关系进行了研究。同时，我们还发现，当内耗达到最大值时，合金的强度会明显下降，这被认为是导致合金高温力学性能降低的主要原因。

随着气温的升高，区域C发生了变化。由于2D滑移系的运行，部分位错引起的交滑开始被激活，导致位错塞前缘应力的松驰效应更加明显。因此，在这个温度范围内，随着温度的增加，断裂应力也呈上升趋势。

试环境对强度的影响。为了获得可靠的数据，材料的检测环境应尽量与实际应用环境相匹配。目前，环境效应的研究主要集中在空气介质和真空介质上。SiAlON材料在真空环境和空气环境下的高温下抗弯强度存在明显差异。在真空条件下，其抗弯强度甚至可以达到1 400MPa。在C的条件下，其强度仍然很高。然而，在大气中，当温度达到1 200℃时，其强度明显降低，这与其氧化特性密切相关。本项目的研究对象是硅、碳化硅等碳化硅材料，将系统地研究碳化硅材料的氧化动力学，揭示其与微观结构之间的密切关系，并揭示碳化硅中碳的氧化动力学机制。传统的结构陶瓷由于其较好的抗氧化性，大多数实验介质都在空气中进行。然而，在某些陶瓷基复合材料中，通过改变增强相/基体界面，可以提高其在高温下的力学性能，从而减轻氧化作用的影响。

4 分析高温蠕变性

该问题是评估陶瓷材料在高温环境中的可靠性和寿命的一个重要因素。解决这个问题对于评估陶瓷材料和高温构件的蠕变性能具有重要意义。高温蠕变是指在高温条件下，材料在自重或外部应力的影响下会随着时间的增长而发生的变形现象。与塑性变形不同，塑性变形通常在应力达到一定强度后才会发生，但当应力持续时间较长时，就会出现塑性变形[3]。目前，对陶瓷材料蠕变变形的研究主要在高温、长时间、恒定应力条件下进行，其中Nabarro-Herring蠕变和Coble蠕变被广泛应用作为蠕变机制的理论解释。此外，评估陶瓷材料蠕变性能多采用国际标准的压力-蠕变试验方法，但存在应用范围窄、工况苛刻等缺陷，迫切需要引入其他简便易操作的高温蠕变试验方法。

GB/T 5073—2005[5]指导了耐火材料的压缩蠕变测试方法。该方法的原理是：在一定的恒压下，以规定的升温速率对预定尺寸的试样进行加热，并在规定的试验温度下保持恒温，记录试样随时间变化而产生的高度方向上的变形量以及相对于试样原始高度的变化百分比。蠕变性能表示材料能够在高温下承受塑性变形。目前的研究主要关注刚玉-莫来石复合相，这种复合相具有两种矿物的优异性能，同时在高温工业中被广泛应用，如高温低蠕变的窑具、承烧板、推进板等，因其具有优异的高温抗蠕变性、抗热震性、力学强度、耐磨性能和热传导性。

5 抗热震性能

超高温陶瓷是由高熔点的过渡金属元素(如ZrB2、TaC、HfN、HfB2和ZrC)构成的，其熔点高达3 000℃以上。在极端高温(2 000℃以上)和氧气等极端环境下，超高温陶瓷能够正常工作，并且具有稳定的物理化学性质。超高温陶瓷具备出色的综合性能，在航空、航天等领域得到了广泛应用。然而，由于陶瓷本身的脆性，其热震性能较低，热冲击是导致其失效的主要因素。因此，如何提高超高温陶瓷的抗热震性一直是该领域的一个重要研究问题。准确评估超高温陶瓷的抗热震性能是解决该问题的首要前提。

国内外许多学者对抗热冲击特性进行了大量实验和理论研究。其中，一些学者通过实验方法研究了SiC颗粒大小对ZrB2基体的耐热冲击性能的影响。已有的试验研究表明，UHT陶瓷的抗热冲击性能与SiC增强剂密切相关[4]。然而，在颗粒增强体中，由于外加剂与基材的热膨胀系数不匹配，导致在降温过程中产生了残余热应力，并在外加应力的共同作用下，导致颗粒附近的裂纹萌生。在相同的初始热冲击温度下，随着SiC晶粒度的增大，SiC的抗热震性降低[5]。

因此，通过细化SiC晶粒，可以显著提高UHT陶瓷的低温和高温下的抗热冲击能力。研究发现，在相同的热冲击初始温度下，不论是否存在残余热应力，抗热震性随晶粒度的变化趋势基本一致。这意味着，在不同晶粒度下，残余热应力导致的抗热冲击性能下降的程度基本相同。然而，在升温过程中，SiC晶粒尺寸增大时，形成的微裂纹尺寸也增大，残余热应力对抗热震性能的影响也增大。通过在SiC粒子表面形成特定尺度的微结构，可以有效改善SiC粒子在高温和低温下的抗热冲击性能[6]。研究结果显示，该复合体系的有效表面能高于基质材料，加入SiC粒子可以提高材料的有效表面能。在高温下，抗热冲击阻力系数对应的临界破坏温度差随着材料的有效表面能增大而增大，表明抗热冲击能力明显提高。加入SiC粒子后，UHT陶瓷的抗热冲击能力得到明显改善，这与在较低温度下的实验结果一致。

6 结语

当前研究陶瓷材料弹性问题的资料较多，对于陶瓷变形度，只是针对陶瓷制品而言，并且不同测量方法，也会受到制品种类的影响。要想实现对陶瓷材料抵抗变形性能的准确性测量，实现科学评价，需要参考国外先进的方法，结合自身的经验，在实验中不断改进。通过了解陶瓷材料特点，对其在高温下的抗震性能、弯曲度等内容，进行不断测试，做好对相关参数的整合和分析工作，进而为陶瓷材料性能后续的研究与试验工作提供更多的数据支持。