1.1.2 陶瓷材料的性能

由陶瓷材料的種類可知，陶瓷材料是各種金屬與氧、氮及碳等經人工合成的無機化合物材料。

1.物理性能

陶瓷材料在耐熱性、耐磨損性、耐蝕性、絕熱性、電氣絕緣性、強度、硬度等諸方面有著比金屬更加優越的性能，有的還具有超導以及其他特殊性能，在電子工業、化工、汽車、冶金、航天、航空、能源、機械、光學及其他產業得到了廣泛的應用。但是，由于陶瓷是脆性材料，韌性極低，容許缺陷的尺寸極小，強度波動大，易發生脆性破壞，加工困難，因此很難單獨用來制造結構件。此外，陶瓷材料價格也高，加工性很差，這就決定了它必須與金屬材料復合才能得到實際應用。目前所用的陶瓷主要是氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅及部分穩定的氧化鋯（PSZ）。

陶瓷是非常堅固的離子/共價鍵結合，比金屬鍵強得多。這種結合使陶瓷具有高硬度、低導熱性、低導電性、化學不活潑性的特點。一般認為陶瓷是熱/電絕緣體，而陶瓷氧化物（如以Y-Ba-Cu-O為基的陶瓷）則具有高溫超導性。金剛石、BeO和SiC的導熱性比Al和Cu還好。

表1-1～表1-3給出了一些陶瓷的熔點、表面張力和一些體系的固-液界面能的數據。表1-4、表1-5分別給出了幾種簡單氧化物陶瓷和多元氧化物陶瓷的物理性能。表1-6所列為幾種非氧化物陶瓷的物理性能，表1-7列出了一些非氧化物高溫陶瓷的物理性能。

2.陶瓷材料的熱物理和力學性能

（1）陶瓷的線脹系數 陶瓷的線脹系數比較低，而有些金屬的線脹系數較高，在陶瓷材料與金屬的焊接中容易產生較大殘余應力，從而降低接頭強度。表1-8給出了一些陶瓷材料的平均線脹系數。影響陶瓷材料線脹系數的因素如下：

1）陶瓷材料熔點的影響。線脹系數與熔點有一定關系。

元素的線脹系數與熔點的關系為

化合物的線脹系數與熔點的關系為

圖1-1給出了一些化合物的線脹系數與熔點之間的關系。

①浸硅法。

②常壓燒結。

③CVD法。

④反應燒結。

⑤熱壓燒結。

2）線脹系數與溫度的關系。材料的線脹系數一般隨著溫度的升高而增大，陶瓷材料也是如此。圖1-2所示為非晶體Si₃N₄伸長量與溫度之間的關系，可以明顯看到存在兩個線性區。

3）組織特征的影響。非晶體比晶體的線脹系數大得多。晶粒尺寸越大，線脹系數越小，如α-Al₂O₃陶瓷，其晶粒直徑為80nm，線脹系數為9.3×10-6K-1；晶粒直徑為105nm，線脹系數為8.9×10-6K-1；晶粒直徑為5μm，線脹系數為4.9×10-6K-1。

4）線脹系數的方向性。線脹系數還具有方向性，表1-9給出了一些陶瓷在垂直和平行方向上的線脹系數。

5）化學成分的影響。化學成分對陶瓷材料的膨脹率也有影響，有時會有很特殊的影響。圖1-3所示為氧化硅含量對Li₂O-Al₂O₃-SiO₂（LAS）陶瓷材料膨脹率的影響，可以明顯看到，當氧化硅質量分數超過40%之后膨脹率急劇下降，甚至達到負值；達到最小值之后，氧化硅開始固溶，膨脹率又有增加。

（2）導熱性 表1-10給出了一些陶瓷材料的熱導率。

3.化學性能

陶瓷的組織結構十分穩定，在某些陶瓷的組織中，金屬原子被非金屬原子（如氧）所包圍，金屬原子難以再與介質中的氧發生作用，因而具有十分穩定的化學性能，甚至在高達1000℃的溫度下也不會發生氧化。因此，大多數陶瓷都具有良好的耐酸、堿、鹽腐蝕的性能。

4.力學性能

由于陶瓷大多是由離子鍵（如Al₂O₃）或共價鍵（如SiN、SiC等）構成的晶體，其多晶體的滑移系很少，在外力作用下幾乎不發生塑性變形就會斷裂；陶瓷材料的氣孔很多，致密性較差，抗拉強度較低；但是，由于陶瓷材料的氣孔很多，氣孔受壓時不會導致裂紋擴展，因此其抗壓強度還是比較高的，脆性材料鑄鐵的抗拉強度與抗壓強度之比為1/3，而陶瓷為1/10左右；陶瓷幾乎不能發生塑性變形，韌性極低，常常發生脆性斷裂；陶瓷的硬度和室溫彈性模量都很高；容許缺陷的尺寸極小，強度波動大，難以發生延遲破壞，加工困難，因此很難單獨用來制造結構件。

（1）陶瓷的彈性模量 表1-11為一些陶瓷材料的彈性模量，陶瓷材料的彈性模量與其熔點有關，圖1-4給出了這些關系。

式中 V_a——原子體積或者分子體積；

T_m——熔點；

k——常數。

陶瓷材料一般由粉末燒結而成，因此不可避免地存在不同程度的空隙，使其密度受到燒結條件（溫度、保溫時間、壓力等）的影響，這種密度的變化對彈性模量也會產生一定的影響，因此彈性模量還與密度有關。圖1-5所示為密度率對Al₂O₃陶瓷彈性模量的影響。

（2）陶瓷材料的硬度 對于大多數陶瓷材料來說，陶瓷材料的硬度很高。實際上，陶瓷材料的硬度值覆蓋的范圍很廣，表1-12給出了代表性陶瓷材料莫氏硬度的分級。

（3）陶瓷材料的斷裂韌度 陶瓷材料的斷裂韌度很低，表1-13給出了一些陶瓷材料的斷裂韌度值。

（4）陶瓷材料的強度 影響陶瓷材料強度的因素有：

1）顯微組織的影響。

①晶粒尺寸的影響。眾所周知，晶粒尺寸對材料強度有明顯的影響，晶粒尺寸對強度的影響可以用哈爾-裴茨（Hall-Petch）關系式來描述。

式中 σ——強度；

σ_∞——晶粒尺寸無限大時的強度；

c——與材料結構有關的系數；

d——晶粒尺寸。

在材料晶粒尺寸很小時，斷裂的發生往往是從材料表面的裂紋開始的，因此在晶粒尺寸與材料強度的關系圖上，明顯分為兩個區。圖1-6所示為TiO₂晶粒尺寸與彎曲強度之間的關系。

②其他組織因素的影響。可以通過加入溶質原子或者彌散析出第二相而強化，還可以通過纖維強化、晶須強化，如陶瓷基增強材料等。

2）溫度的影響。圖1-7所示為幾種陶瓷材料的彎曲強度與溫度之間的關系。可以看到，陶瓷材料強度隨著溫度的升高而下降的趨勢比金屬及其合金要平緩得多。因此，陶瓷材料比金屬及其合金更耐高溫。

（5）陶瓷材料的應變特征 由于陶瓷材料多由離子和共價鍵構成，其滑移系統少，因此一般塑性較差。圖1-8所示為陶瓷、金屬和天然橡膠的應力-應變曲線，可以看到，陶瓷材料的塑性變形明顯比金屬和天然橡膠低得多。

（6）陶瓷材料的超塑性 細晶（晶粒直徑小于10μm）陶瓷材料，在T_m/2以上的溫度及應變速率在10-6～10-2s-1之間容易發生超塑性。圖1-9所示為氧化鋁單晶的屈服應力與溫度和應變速率之間的關系。可以看到，隨著溫度的升高，材料的屈服應力降低；而隨著應變速率的增大，材料的屈服應力增大。

1）晶粒尺寸對超塑性的影響。圖1-10所示為不同晶粒尺寸在1.3×10-4/s的應變速率下，1400℃時TZP多晶體的應力-應變曲線。可以看到，隨著晶粒尺寸的減小，流動應力也減小，材料的塑性增大。

2）應變速率的影響。圖1-11所示為不同應變速率下，TZP+5%Si（質量分數）的應力-應變曲線。可以看到，在溫度超過1200℃之后，材料出現明顯的超塑性。隨著溫度的升高，材料的延伸率增大；另外，隨著應變速率的增大，流變應力也增大；而在相同的應變速率下，流變應力隨著溫度的升高而減小（見圖1-12）。