通常,陶瓷在高温下(>1000℃)才具有超塑性。超塑性最初发现于金属及其合金材料。陶瓷超塑性的发现和研究始于20世纪80年代中后期。最初发现氧化锆多晶体在1000℃以上具有极大的抗拉伸形变能力,随后陶瓷超塑性的研究取得较大进展。
陶瓷超塑性
在外力作用下,陶瓷发生极大形变却不破坏的能力。
- 英文名称
- superplasticity of ceramics
- 所属学科
- 材料科学与工程
通常认为,晶格的扩散攀移是材料超塑性形变的主要机理。但实验表明,陶瓷超塑性与晶界有关。在陶瓷超塑性形变过程中,晶粒转动、晶粒形变以及晶界滑移等过程起主要作用,故可以认为陶瓷超塑性机理以晶界扩散为主,但仍缺乏定量化的描述。
材料超塑性形变时,应变速率与应力
、晶粒尺寸
之间的关系为:
式中和
为经验常数;
为与温度及扩散系数有关的常数。
由于陶瓷多为离子键和共价键结合,故其产生超塑性的条件为:①较高的温度(>1000℃)以获得较高的扩散系数。②晶粒细小、等轴且不易长大。③晶界结合力较强,以防材料形变时结构被破坏。
具有超塑性的陶瓷主要有以下几种:
①氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶体(Y-TZP)陶瓷。是最典型的超塑性陶瓷。细晶(晶粒尺寸<0.5微米)Y-TZP陶瓷出现超塑性的温度约为1250℃,拉伸形变量达到400%以上,最大压缩形变速率达每秒10-2~10-1。
②氧化铝(A2O3)陶瓷。细晶(晶粒尺寸<1微米)或含少量玻璃相的Al2O3陶瓷具有一定的超塑性形变能力,但形变速率较小(10-4/秒),形变量小。细晶Al2O3陶瓷难于制备,而大晶粒的Al2O3陶瓷几乎无超塑性。
③氮化硅(Si3N4)陶瓷及其固溶体。等轴状细晶-Si3N4及其固溶体
-Sialon在较高温度(>1500℃)下具有一定的超塑性形变能力。这类材料的应变量较小,约40%~90%,出现超塑性现象所需的温度较高,形变速率较小。针状晶粒的单相
-Si3N4及其固溶体几乎无超塑性。
④复相陶瓷材料。如Y-TZP/Al2O3、Y-TZP/莫来石等复相材料,其超塑性比单相Al2O3、莫来石陶瓷明显得多。一方面由于易产生超塑性的Y-TZP成为超塑性形变的主要载体,另一方面由于Y-TZP颗粒阻止了另一相晶粒的生长,有利于获得细晶材料。
超塑性陶瓷具有很好的应用前景。由于本征的脆性,陶瓷的冷加工一般只能靠磨削、研磨,不仅费时费力,且不易加工复杂形状。陶瓷超塑性的发现和研究,为解决陶瓷加工难的问题开辟了一条新途径,此外也为解决陶瓷材料的脆性打开了一条新的思路。