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去吃了碗拉面我竟联想到了这种陶瓷-超塑性陶瓷


来源:中国粉体网   山川

[导读]  从纳米陶瓷超塑性的发现以来,国内外先后开展了许多研究工作。利用这一特性可进行陶瓷材料的超塑性成型和超塑性连接,例如发动机活塞环的制造,由名古屋工业技术研究所与Suzuki发动机公司合作完成。

中国粉体网讯  去吃拉面的时候,眼见厨师师傅一顿操作猛如虎,几个回合就将一坨面团拉成又细又长的面丝。小编在想有没有人像我一样经常会好奇两个问题,一个是拉面师傅能把一团面拉多少个回合(2、22、23.......你是不是也在脑海里演算过),第二个问题是拉面怎会如此劲道,拉那么多次都拉不断?和盛它的陶瓷碗简直成了两个极端,陶瓷为啥不能像拉面那样拉伸呢?


 

(图片来源于网络)


欸?不对吧,这么说是不是有点绝对呢,不管是什么陶瓷,“脆性大”是陶瓷的特征不假,但工业上明明还有一种陶瓷叫“超塑性陶瓷”,这种陶瓷可是能拉能扯的。今天我们就来说一说这种像“拉面”一样的陶瓷-超塑性陶瓷。


超塑性陶瓷的来历


首先我们先来了解什么是塑性,塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。结合拉面的例子,通俗的说就是在一定应力范围内,你可以把它拉长,但是不能把它拉断。


 

(图片来源于网络)


1986年,日本名古屋国家工业技术研究所的Wakai及其同事首次报导了3Y-TZP(3mol%Y2O3稳定四方ZrO2多晶体)在空气气氛中1723K时取得大于120%的均匀拉伸超塑性变形。除Y-TZP材料外,研究者们先后在Al2O3-ZrO2复合材料、Al2O3材料、莫来石材料、Si3N4材料、SiC-Si3N4材料、Ca10(PO4)6(OH)2材料、Ni3Al-多铝红柱石材料和ZrO2强化的多铝红柱石材料等陶瓷材料中也发现了不同程度的超塑性现象。


陶瓷的加工成型和陶瓷的增韧问题一直是人们关注的、急待解决的关键问题,陶瓷超塑性的发现为解决这个问题打开了新途径。随着对陶瓷塑性拉伸研究的不断深入,利用陶瓷的塑性,用现有的金属成形方法(如挤压、弯曲、胀形、拉深等)来成形陶瓷零件已经开始受到关注。


超塑性机理


超塑性陶瓷一般是由纳米陶瓷材料制备而成,产生超塑性的机理一般认为这是由于扩散蠕变引起的晶界滑移所致,扩散蠕变速率与扩散系数成正比,与晶粒尺寸的三次方成反比。


 

(图片来源于网络)


普通材料只能在很高温度下才表现出明显的扩散蠕变,与普通材料相比,纳米塑性陶瓷的扩散系数提高了3个数量级,晶粒尺寸降低了3个数量级,扩散蠕变速率提高10-12倍。因此,在较低的温度下(相对高温而言),纳米塑性陶瓷因其高的扩散蠕变速率可对外应力作出迅速反应,造成晶界方向的平移,从而表现出超塑性,使其塑性大为提高。


超塑性变形条件


所谓超塑性也只是相对而言,并不像塑料和金属一样,天生就具备一定的塑性和延展性,不可能随手拿过来用手一拉,超塑性就展现出来。要获得超塑性形变,需要具备如下几个条件:


1、具有较大的晶格应变能力。


2、达到陶瓷材料熔点温度的一半以上。


3、微晶且变形时能保持颗粒尺寸稳定性。


4、具有较低的应力指数n<3。


5、晶粒尺寸小,对超塑性陶瓷来说,需要<1nm。


提高陶瓷塑性的方法


1、相变增韧


除单晶体或在高温下,陶瓷一般是没有塑性变形的,即弹性变形后直接断裂,这类材料称为脆性材料,可以通过相变增韧的方式使材料获得塑性从而改变断裂方式。


2、纤维增韧


在陶瓷基体中加入第二相纤维而制成陶瓷基复合材料可以提高陶瓷的塑性。由于定向或无序排布的纤维加入,使陶瓷基复合材料韧性显著提高,同时强度及抗热震性也有显著提高,这就是纤维韧化。


3、晶须韧化


晶须增韧陶瓷基复合材料断裂行为的实验研究表明,晶须韧化大体同纤维增韧陶瓷基复合材料相同,在材料断裂时可能有几种增韧机理:晶须桥联、晶须拔出、裂纹偏转、裂纹钉轧和微裂纹增韧同时起作用,每种机理的贡献与晶须的性质及晶须、基体的复合方式密切相关。


晶须和短纤维类似,具有一定的长径比,因此复合材料的制备过程中,当晶须含量较高时,由于其桥联效应而使致密化变得困难,从而引起密度的下降。而用颗粒作为增韧剂制作颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料混合均匀化及烧结致密化都比纤维和晶须复合材料简便易行。


陶瓷超塑性的意义


从纳米陶瓷超塑性的发现以来,国内外先后开展了许多研究工作。利用这一特性可进行陶瓷材料的超塑性成型和超塑性连接,例如发动机活塞环的制造,由名古屋工业技术研究所与Suzuki发动机公司合作完成。


陶瓷超塑性的出现使陶瓷的成型方法发生变革,并使复杂形状部件的成型成为可能,它将变革现有烧结工艺,使成型和烧结一次完成,为开发新型结构陶瓷开辟了一条新途径。利用陶瓷的超塑性,通过热锻等手段调整、优化结构,从而可以根据材料设计原则来获得所需结构、具备特殊性能的新型材料。


参考来源:

[1]张文俊.提高陶瓷超塑性研究

[2]云斯宁.纳米陶瓷超塑性及应用

[3]卢旭晨.陶瓷超塑性及其应用

[4]上海硅酸盐研究所


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