閆宇嵩

(貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州 貴陽 550014)

結(jié)構(gòu)陶瓷材料，不僅有耐高溫、耐腐蝕以及耐磨損等優(yōu)勢(shì)，其比重也要比其他材料小，當(dāng)前世界的各國(guó)都在致力于用研究高溫陶瓷，代替金屬材料。 為了強(qiáng)化其性能，借助陶瓷材料高溫的抗壓試驗(yàn)，分析了陶瓷材料，在高溫環(huán)境下的物理力性能，如高溫三點(diǎn)彎曲、壓縮等多種試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上對(duì)當(dāng)前高溫環(huán)境下，陶瓷材料的彈性性能，進(jìn)行了相關(guān)性測(cè)試，了解其彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度；在掌握相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化此材料結(jié)構(gòu)抵抗彎曲的能力，避免陶瓷材料在后續(xù)的應(yīng)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(fù)雜的環(huán)境問題。一旦發(fā)生損傷，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此，提高超高溫陶瓷材料的高溫強(qiáng)度已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。開展超高聲速飛行器UHT材料的高溫力學(xué)性能研究對(duì)于提升其服役可靠性具有重要意義。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其高溫強(qiáng)度的研究還停留在試驗(yàn)階段。由于其在高溫下的力學(xué)性能難以檢測(cè)，并缺乏統(tǒng)一的測(cè)量手段，導(dǎo)致其研究溫度與實(shí)際應(yīng)用中所能承受的超高溫?zé)釅翰钕嗖钌踹h(yuǎn)。

目前的高溫力學(xué)試驗(yàn)方法已無法滿足人們對(duì)高溫力學(xué)性能認(rèn)識(shí)的迫切需求。國(guó)內(nèi)外還沒有針對(duì)超高溫防熱材料在熱力耦合作用下的本構(gòu)特征與失效機(jī)理進(jìn)行研究，缺乏對(duì)超高溫陶瓷強(qiáng)韌化的主導(dǎo)機(jī)理的調(diào)控，也缺乏對(duì)其強(qiáng)韌化機(jī)理的深入研究[1]，這嚴(yán)重制約了對(duì)熱力耦合作用下構(gòu)件性能潛力的發(fā)揮，同時(shí)也制約了對(duì)熱力耦合作用下構(gòu)件特征與失效的準(zhǔn)確分析。

目前已有學(xué)者利用高溫彈性模量的測(cè)定獲得了UHT陶瓷材料的高溫強(qiáng)度。然而，在目前的研究中，UHT陶瓷材料在高溫下的力學(xué)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(jìn)行深入的研究。本項(xiàng)目的目標(biāo)是在已有研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套能夠反映超高溫陶瓷在全溫度全過程中強(qiáng)度演變的物理過程和演變過程的本征力學(xué)模型。同時(shí)，我們將系統(tǒng)地研究不同的損傷形式和微觀組織特征尺度等因素對(duì)其強(qiáng)度的影響，并對(duì)相關(guān)因素的敏感度和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。通過開展本項(xiàng)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(gè)因素。這將為改善UHT材料的高溫性能提供理論基礎(chǔ)和方法，包括從微觀組織構(gòu)建和制備等角度。同時(shí)，本項(xiàng)目的研究成果將為我國(guó)未來高超音速長(zhǎng)距離機(jī)動(dòng)飛行器的研制提供技術(shù)支撐。

2 現(xiàn)狀

在50年代，陶瓷材料是人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米顝V泛的材料，包括陶器、磚、瓦、水泥和玻璃。由于陶瓷材料具有優(yōu)異的物理和力學(xué)特性，因此在絕緣材料、防彈防護(hù)裝置、生物醫(yī)用植入物、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、盤式陶瓷制動(dòng)器、軸承等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，陶瓷材料的抗熱沖擊能力非常重要，因?yàn)樵谶\(yùn)行中，快速的升溫和降溫會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致設(shè)備失效。陶瓷材料的化學(xué)鍵主要是離子鍵和共價(jià)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但其表面能較低。因此，陶瓷材料的強(qiáng)度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性和耐熱性都優(yōu)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(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)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(fā)生塑性變形，一旦達(dá)到彈性極限，就會(huì)發(fā)生斷裂。因此，彈性性能對(duì)陶瓷非常重要。與其他固態(tài)物質(zhì)類似，虎克定律同樣適用于陶瓷的彈性變形?；⒖硕蓪?shí)質(zhì)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(dòng)。當(dāng)這些原子之間的微小偏移達(dá)到一定閾值時(shí)，將導(dǎo)致化學(xué)鍵的破壞(在常溫下)和原子的滑移(在高溫下)。彈性模數(shù)反映了原子間的距離發(fā)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(jié)合力，這意味著有許多因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，需要根據(jù)具體問題采取相應(yīng)的對(duì)策。

3 影響陶瓷變形的原因

3.1 內(nèi)在原因

由于模具的復(fù)雜性、各部分受力和收縮不均導(dǎo)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(shè)備的中心位置偏移導(dǎo)致高溫下發(fā)生彎曲變形。熱應(yīng)力與制品的造型直接相關(guān)。制品比例尺寸、厚薄和形狀的不均勻性或不對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致溫度梯度或收縮的差異，從而在制品不同部位產(chǎn)生熱應(yīng)力差異。

3.2 外部因素

溫度。高級(jí)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的最大優(yōu)點(diǎn)是其高溫強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他金屬材料，例如高純硅，氮?dú)夂吭? 440以上。由于在高溫下仍具有較強(qiáng)的抗裂紋擴(kuò)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(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫構(gòu)件候選材料。在不含玻璃相的陶瓷中，高溫強(qiáng)度主要取決于擴(kuò)散，而在含玻璃相的陶瓷中，高溫強(qiáng)度則主要由玻璃相控制。不同材料的強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴性也各不相同。同時(shí)，其破壞機(jī)理也從低溫時(shí)的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貢r(shí)的塑性破壞，因此產(chǎn)生了一個(gè)脆-韌轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度附近，其強(qiáng)度會(huì)回升形成峰值，然后隨溫度升高迅速下降。這主要是因?yàn)樵诹鸭飧浇l(fā)生了非晶相結(jié)晶，并伴隨著裂尖的應(yīng)力釋放。

玻璃相的存在導(dǎo)致材料在高溫下的強(qiáng)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?yàn)樘砑觿╇m然可以提高燒結(jié)和致密化，但也會(huì)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(diǎn)[2]，2)通過熱處理促使非晶體結(jié)晶。在陶瓷材料中，通常會(huì)加入5～20%的添加劑，在晶界或兩個(gè)晶界之間形成一層約1～2 nm厚的非晶薄層。研究結(jié)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(fā)現(xiàn)，在含有很少SiO2的情況下，SiO2主要分布在晶界上，在1 400℃時(shí)，SiO2明顯軟化，但由于對(duì)無定形相的阻礙作用，使其具有很高的強(qiáng)度。相反，如果SiO2含量較大，就會(huì)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(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而引發(fā)裂紋和晶界滑移，降低材料的強(qiáng)度。以前的研究已經(jīng)使用內(nèi)耗法對(duì)Si與溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)耗達(dá)到最大值時(shí)，合金的強(qiáng)度會(huì)明顯下降，這被認(rèn)為是導(dǎo)致合金高溫力學(xué)性能降低的主要原因。

隨著氣溫的升高，區(qū)域C發(fā)生了變化。由于2D滑移系的運(yùn)行，部分位錯(cuò)引起的交滑開始被激活，導(dǎo)致位錯(cuò)塞前緣應(yīng)力的松馳效應(yīng)更加明顯。因此，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，斷裂應(yīng)力也呈上升趨勢(shì)。

試環(huán)境對(duì)強(qiáng)度的影響。為了獲得可靠的數(shù)據(jù)，材料的檢測(cè)環(huán)境應(yīng)盡量與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相匹配。目前，環(huán)境效應(yīng)的研究主要集中在空氣介質(zhì)和真空介質(zhì)上。SiAlON材料在真空環(huán)境和空氣環(huán)境下的高溫下抗彎強(qiáng)度存在明顯差異。在真空條件下，其抗彎強(qiáng)度甚至可以達(dá)到1 400MPa。在C的條件下，其強(qiáng)度仍然很高。然而，在大氣中，當(dāng)溫度達(dá)到1 200℃時(shí)，其強(qiáng)度明顯降低，這與其氧化特性密切相關(guān)。本項(xiàng)目的研究對(duì)象是硅、碳化硅等碳化硅材料，將系統(tǒng)地研究碳化硅材料的氧化動(dòng)力學(xué)，揭示其與微觀結(jié)構(gòu)之間的密切關(guān)系，并揭示碳化硅中碳的氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷由于其較好的抗氧化性，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)都在空氣中進(jìn)行。然而，在某些陶瓷基復(fù)合材料中，通過改變?cè)鰪?qiáng)相/基體界面，可以提高其在高溫下的力學(xué)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(píng)估陶瓷材料在高溫環(huán)境中的可靠性和壽命的一個(gè)重要因素。解決這個(gè)問題對(duì)于評(píng)估陶瓷材料和高溫構(gòu)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(yīng)力的影響下會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生的變形現(xiàn)象。與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度后才會(huì)發(fā)生，但當(dāng)應(yīng)力持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)塑性變形[3]。目前，對(duì)陶瓷材料蠕變變形的研究主要在高溫、長(zhǎng)時(shí)間、恒定應(yīng)力條件下進(jìn)行，其中Nabarro-Herring蠕變和Coble蠕變被廣泛應(yīng)用作為蠕變機(jī)制的理論解釋。此外，評(píng)估陶瓷材料蠕變性能多采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的壓力-蠕變?cè)囼?yàn)方法，但存在應(yīng)用范圍窄、工況苛刻等缺陷，迫切需要引入其他簡(jiǎn)便易操作的高溫蠕變?cè)囼?yàn)方法。

GB/T 5073—2005[5]指導(dǎo)了耐火材料的壓縮蠕變測(cè)試方法。該方法的原理是：在一定的恒壓下，以規(guī)定的升溫速率對(duì)預(yù)定尺寸的試樣進(jìn)行加熱，并在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下保持恒溫，記錄試樣隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的高度方向上的變形量以及相對(duì)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(guān)注剛玉-莫來石復(fù)合相，這種復(fù)合相具有兩種礦物的優(yōu)異性能，同時(shí)在高溫工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，如高溫低蠕變的窯具、承燒板、推進(jìn)板等，因其具有優(yōu)異的高溫抗蠕變性、抗熱震性、力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性能和熱傳導(dǎo)性。

5 抗熱震性能

超高溫陶瓷是由高熔點(diǎn)的過渡金屬元素(如ZrB2、TaC、HfN、HfB2和ZrC)構(gòu)成的，其熔點(diǎn)高達(dá)3 000℃以上。在極端高溫(2 000℃以上)和氧氣等極端環(huán)境下，超高溫陶瓷能夠正常工作，并且具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。超高溫陶瓷具備出色的綜合性能，在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于陶瓷本身的脆性，其熱震性能較低，熱沖擊是導(dǎo)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(lǐng)域的一個(gè)重要研究問題。準(zhǔn)確評(píng)估超高溫陶瓷的抗熱震性能是解決該問題的首要前提。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)抗熱沖擊特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究。其中，一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)方法研究了SiC顆粒大小對(duì)ZrB2基體的耐熱沖擊性能的影響。已有的試驗(yàn)研究表明，UHT陶瓷的抗熱沖擊性能與SiC增強(qiáng)劑密切相關(guān)[4]。然而，在顆粒增強(qiáng)體中，由于外加劑與基材的熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致在降溫過程中產(chǎn)生了殘余熱應(yīng)力，并在外加應(yīng)力的共同作用下，導(dǎo)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(xì)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(fā)現(xiàn)，在相同的熱沖擊初始溫度下，不論是否存在殘余熱應(yīng)力，抗熱震性隨晶粒度的變化趨勢(shì)基本一致。這意味著，在不同晶粒度下，殘余熱應(yīng)力導(dǎo)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(shí)，形成的微裂紋尺寸也增大，殘余熱應(yīng)力對(duì)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(jié)構(gòu)，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(jié)果顯示，該復(fù)合體系的有效表面能高于基質(zhì)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(shù)對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

6 結(jié)語

當(dāng)前研究陶瓷材料彈性問題的資料較多，對(duì)于陶瓷變形度，只是針對(duì)陶瓷制品而言，并且不同測(cè)量方法，也會(huì)受到制品種類的影響。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷材料抵抗變形性能的準(zhǔn)確性測(cè)量，實(shí)現(xiàn)科學(xué)評(píng)價(jià)，需要參考國(guó)外先進(jìn)的方法，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中不斷改進(jìn)。通過了解陶瓷材料特點(diǎn)，對(duì)其在高溫下的抗震性能、彎曲度等內(nèi)容，進(jìn)行不斷測(cè)試，做好對(duì)相關(guān)參數(shù)的整合和分析工作，進(jìn)而為陶瓷材料性能后續(xù)的研究與試驗(yàn)工作提供更多的數(shù)據(jù)支持。