1.1.2 陶瓷材料的性能

由陶瓷材料的种类可知，陶瓷材料是各种金属与氧、氮及碳等经人工合成的无机化合物材料。

1.物理性能

陶瓷材料在耐热性、耐磨损性、耐蚀性、绝热性、电气绝缘性、强度、硬度等诸方面有着比金属更加优越的性能，有的还具有超导以及其他特殊性能，在电子工业、化工、汽车、冶金、航天、航空、能源、机械、光学及其他产业得到了广泛的应用。但是，由于陶瓷是脆性材料，韧性极低，容许缺陷的尺寸极小，强度波动大，易发生脆性破坏，加工困难，因此很难单独用来制造结构件。此外，陶瓷材料价格也高，加工性很差，这就决定了它必须与金属材料复合才能得到实际应用。目前所用的陶瓷主要是氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅及部分稳定的氧化锆（PSZ）。

陶瓷是非常坚固的离子/共价键结合，比金属键强得多。这种结合使陶瓷具有高硬度、低导热性、低导电性、化学不活泼性的特点。一般认为陶瓷是热/电绝缘体，而陶瓷氧化物（如以Y-Ba-Cu-O为基的陶瓷）则具有高温超导性。金刚石、BeO和SiC的导热性比Al和Cu还好。

表1-1～表1-3给出了一些陶瓷的熔点、表面张力和一些体系的固-液界面能的数据。表1-4、表1-5分别给出了几种简单氧化物陶瓷和多元氧化物陶瓷的物理性能。表1-6所列为几种非氧化物陶瓷的物理性能，表1-7列出了一些非氧化物高温陶瓷的物理性能。

2.陶瓷材料的热物理和力学性能

（1）陶瓷的线胀系数 陶瓷的线胀系数比较低，而有些金属的线胀系数较高，在陶瓷材料与金属的焊接中容易产生较大残余应力，从而降低接头强度。表1-8给出了一些陶瓷材料的平均线胀系数。影响陶瓷材料线胀系数的因素如下：

1）陶瓷材料熔点的影响。线胀系数与熔点有一定关系。

元素的线胀系数与熔点的关系为

化合物的线胀系数与熔点的关系为

图1-1给出了一些化合物的线胀系数与熔点之间的关系。

①浸硅法。

②常压烧结。

③CVD法。

④反应烧结。

⑤热压烧结。

2）线胀系数与温度的关系。材料的线胀系数一般随着温度的升高而增大，陶瓷材料也是如此。图1-2所示为非晶体Si₃N₄伸长量与温度之间的关系，可以明显看到存在两个线性区。

3）组织特征的影响。非晶体比晶体的线胀系数大得多。晶粒尺寸越大，线胀系数越小，如α-Al₂O₃陶瓷，其晶粒直径为80nm，线胀系数为9.3×10-6K-1；晶粒直径为105nm，线胀系数为8.9×10-6K-1；晶粒直径为5μm，线胀系数为4.9×10-6K-1。

4）线胀系数的方向性。线胀系数还具有方向性，表1-9给出了一些陶瓷在垂直和平行方向上的线胀系数。

5）化学成分的影响。化学成分对陶瓷材料的膨胀率也有影响，有时会有很特殊的影响。图1-3所示为氧化硅含量对Li₂O-Al₂O₃-SiO₂（LAS）陶瓷材料膨胀率的影响，可以明显看到，当氧化硅质量分数超过40%之后膨胀率急剧下降，甚至达到负值；达到最小值之后，氧化硅开始固溶，膨胀率又有增加。

（2）导热性 表1-10给出了一些陶瓷材料的热导率。

3.化学性能

陶瓷的组织结构十分稳定，在某些陶瓷的组织中，金属原子被非金属原子（如氧）所包围，金属原子难以再与介质中的氧发生作用，因而具有十分稳定的化学性能，甚至在高达1000℃的温度下也不会发生氧化。因此，大多数陶瓷都具有良好的耐酸、碱、盐腐蚀的性能。

4.力学性能

由于陶瓷大多是由离子键（如Al₂O₃）或共价键（如SiN、SiC等）构成的晶体，其多晶体的滑移系很少，在外力作用下几乎不发生塑性变形就会断裂；陶瓷材料的气孔很多，致密性较差，抗拉强度较低；但是，由于陶瓷材料的气孔很多，气孔受压时不会导致裂纹扩展，因此其抗压强度还是比较高的，脆性材料铸铁的抗拉强度与抗压强度之比为1/3，而陶瓷为1/10左右；陶瓷几乎不能发生塑性变形，韧性极低，常常发生脆性断裂；陶瓷的硬度和室温弹性模量都很高；容许缺陷的尺寸极小，强度波动大，难以发生延迟破坏，加工困难，因此很难单独用来制造结构件。

（1）陶瓷的弹性模量 表1-11为一些陶瓷材料的弹性模量，陶瓷材料的弹性模量与其熔点有关，图1-4给出了这些关系。

式中 V_a——原子体积或者分子体积；

T_m——熔点；

k——常数。

陶瓷材料一般由粉末烧结而成，因此不可避免地存在不同程度的空隙，使其密度受到烧结条件（温度、保温时间、压力等）的影响，这种密度的变化对弹性模量也会产生一定的影响，因此弹性模量还与密度有关。图1-5所示为密度率对Al₂O₃陶瓷弹性模量的影响。

（2）陶瓷材料的硬度 对于大多数陶瓷材料来说，陶瓷材料的硬度很高。实际上，陶瓷材料的硬度值覆盖的范围很广，表1-12给出了代表性陶瓷材料莫氏硬度的分级。

（3）陶瓷材料的断裂韧度 陶瓷材料的断裂韧度很低，表1-13给出了一些陶瓷材料的断裂韧度值。

（4）陶瓷材料的强度 影响陶瓷材料强度的因素有：

1）显微组织的影响。

①晶粒尺寸的影响。众所周知，晶粒尺寸对材料强度有明显的影响，晶粒尺寸对强度的影响可以用哈尔-裴茨（Hall-Petch）关系式来描述。

式中 σ——强度；

σ_∞——晶粒尺寸无限大时的强度；

c——与材料结构有关的系数；

d——晶粒尺寸。

在材料晶粒尺寸很小时，断裂的发生往往是从材料表面的裂纹开始的，因此在晶粒尺寸与材料强度的关系图上，明显分为两个区。图1-6所示为TiO₂晶粒尺寸与弯曲强度之间的关系。

②其他组织因素的影响。可以通过加入溶质原子或者弥散析出第二相而强化，还可以通过纤维强化、晶须强化，如陶瓷基增强材料等。

2）温度的影响。图1-7所示为几种陶瓷材料的弯曲强度与温度之间的关系。可以看到，陶瓷材料强度随着温度的升高而下降的趋势比金属及其合金要平缓得多。因此，陶瓷材料比金属及其合金更耐高温。

（5）陶瓷材料的应变特征 由于陶瓷材料多由离子和共价键构成，其滑移系统少，因此一般塑性较差。图1-8所示为陶瓷、金属和天然橡胶的应力-应变曲线，可以看到，陶瓷材料的塑性变形明显比金属和天然橡胶低得多。

（6）陶瓷材料的超塑性 细晶（晶粒直径小于10μm）陶瓷材料，在T_m/2以上的温度及应变速率在10-6～10-2s-1之间容易发生超塑性。图1-9所示为氧化铝单晶的屈服应力与温度和应变速率之间的关系。可以看到，随着温度的升高，材料的屈服应力降低；而随着应变速率的增大，材料的屈服应力增大。

1）晶粒尺寸对超塑性的影响。图1-10所示为不同晶粒尺寸在1.3×10-4/s的应变速率下，1400℃时TZP多晶体的应力-应变曲线。可以看到，随着晶粒尺寸的减小，流动应力也减小，材料的塑性增大。

2）应变速率的影响。图1-11所示为不同应变速率下，TZP+5%Si（质量分数）的应力-应变曲线。可以看到，在温度超过1200℃之后，材料出现明显的超塑性。随着温度的升高，材料的延伸率增大；另外，随着应变速率的增大，流变应力也增大；而在相同的应变速率下，流变应力随着温度的升高而减小（见图1-12）。