中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷材料通常分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，結(jié)構(gòu)陶瓷一般為作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的一類陶瓷材料。與功能陶瓷不同，既然是作為工程結(jié)構(gòu)材料使用，那我們往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能有著苛刻的要求。
說到力學(xué)性能，我們通常在強(qiáng)度、剛度、硬度、脆性等方面拿陶瓷材料與其他材料做對(duì)比，那強(qiáng)度、剛度、硬度到底指什么，今天我們一探究竟。
硬度
我們先通過視頻來看看京瓷對(duì)陶瓷材料硬度的演示。
硬度高是陶瓷材料最突出的特點(diǎn)之一，那硬度到底指什么？通俗地講，硬度是指物質(zhì)的堅(jiān)硬程度，它是材料抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征。一般使用尖銳的金剛石用力下壓，通過形成的劃痕大小檢測物質(zhì)的硬度。而陶瓷高硬度背后的原理即陶瓷材料具有離子鍵，或共價(jià)鍵的鍵合結(jié)構(gòu)，高的鍵合能致使其不能被輕易破壞。
不同材料的維氏硬度，來源：京瓷
高硬度往往會(huì)帶來高耐磨性，京瓷在將很小的玻璃珠長時(shí)間用力吹在精密陶瓷和金屬上，檢查其磨損程度的磨損測試中，先進(jìn)陶瓷的磨損程度僅為不銹鋼的十分之一左右。此外，在將安裝了精密陶瓷和金屬的圓盤在濕砂中進(jìn)行8小時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的測試中，也得到了先進(jìn)陶瓷更不易磨損的結(jié)果。同時(shí)，高硬度也賦予了陶瓷很高的切削性能，利用這些特性，先進(jìn)陶瓷被廣泛應(yīng)用于泵零部件、切削刀具、密封圈、軸承零部件等用途。
剛度
我們先通過視頻來看看京瓷對(duì)陶瓷材料剛度的演示。
表面上講，剛度指抵抗彈性變形的能力。在材料上施加載荷，通過材料在該載荷下彎曲的變形量來表示剛性。材料的彎曲度越小，表示剛性越高，越不易變形。使用該方法檢測剛性時(shí)，氧化鋁和碳化硅的數(shù)值相當(dāng)于不銹鋼的兩倍左右。
圖片來源：京瓷
對(duì)陶瓷材料加工而言，一般剛性越高越好。例如，在切削成目標(biāo)形狀時(shí)，陶瓷材料的剛性越高，如果施加較大的力，越不容易變形，加工出的零部件精度越高。
同樣，材料剛度高低背后的機(jī)理又是什么呢？
首先我們了解一個(gè)概念——彈性模量。通常情況下，物體所受力與長度變化量成正比的變形稱為彈性變形，其比值就是彈性模量。更嚴(yán)格的定義，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率即是彈性模量。而剛度即是彈性模量大小的外在反映，即抵抗變形的能力。
通過對(duì)陶瓷材料的了解，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，陶瓷材料剛度的高低，和前面我們講的硬度的高低甚至熔點(diǎn)的高低幾乎是一致的，這又是為什么呢？
其實(shí)，硬度、剛度、熔點(diǎn)等均是陶瓷材料結(jié)合鍵能高低的外在反映，由于陶瓷材料具有離子鍵，或共價(jià)鍵的鍵合結(jié)構(gòu)，因此陶瓷材料表現(xiàn)出高彈性模量，即陶瓷材料具有了高剛度的同時(shí)也具備了高硬度及高熔點(diǎn)等特性。
強(qiáng)度
下圖是陶瓷材料與金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)陶瓷材料在室溫受到應(yīng)力時(shí)，幾乎沒有塑性變形，屬于典型的“脆斷”，所以我們平常說的陶瓷材料的強(qiáng)度主要是指它的斷裂強(qiáng)度，主要包括彎曲強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等。
一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，陶瓷的理論斷裂強(qiáng)力非常高，但是往往我們測得的陶瓷材料實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低很多很多，甚至是比金屬還低，而上面我們不是說了陶瓷材料的離子鍵或共價(jià)鍵鍵合能比較高嗎，那這又是如何導(dǎo)致的呢？
從微觀概念出發(fā)，陶瓷的理論強(qiáng)度是其原子間的結(jié)合力發(fā)揮到臨界點(diǎn)時(shí)的強(qiáng)度值。根據(jù)原子一分子論，理想晶體的斷裂強(qiáng)度σth和屈服強(qiáng)度分別以式（1）和式（2）表示：
其中E、rs 、G、a分別為彈性模量、表面能、切變模量和原子半徑。通過此公式可預(yù)測出陶瓷材料的理論斷裂強(qiáng)度。
至于實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低很多的原因在于：陶瓷并不是完全致密的，內(nèi)部會(huì)存在一些不規(guī)則形狀的氣孔，這些氣孔相當(dāng)于裂紋，而且陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且分布不均勻，最終導(dǎo)致了陶瓷材料實(shí)際的斷裂強(qiáng)度低。
此外，不同的陶瓷材料其抗彎或抗拉強(qiáng)度不同，即使是同一種陶瓷往往也不相同，例如氧化鋯陶瓷，還受到制備工藝和強(qiáng)化手段的影響。通過對(duì)陶瓷材料與金屬材料抗壓強(qiáng)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度雖然比金屬低，但是它的抗壓強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬。另外，陶瓷材料的抗壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其抗拉能力，我們生活中常見的石拱橋便是利用材料抗壓能力強(qiáng)的原理。
脆性
斷裂韌性是一種表示表面或內(nèi)部有龜裂的材料（龜裂材料）的斷裂強(qiáng)度的度量。斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是本征屬性，與裂紋的大小、形狀以及外力大小無關(guān)。陶瓷材料對(duì)裂紋的敏感性很強(qiáng)，斷裂韌性是評(píng)價(jià)陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，常用線彈性力學(xué)研究裂紋擴(kuò)展和斷裂的問題。下式用來評(píng)價(jià)材料的斷裂韌性：
KIC＝Y(jié)σf a1/2
式中KIC為斷裂韌性；σf為臨界應(yīng)力，即材料的斷裂強(qiáng)度；Y為裂紋的幾何形狀因子；a為1/2裂紋長度。陶瓷材料的韌性很差，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的斷裂韌性只有金屬的1/60—1/100，這說明陶瓷材料的沖擊韌性和斷裂韌性都很差，即脆性很高，這是陶瓷作為工程材料最大的短板。
總結(jié)
強(qiáng)度：反映抗拉抗壓抗彎能力；
剛度：反映抗變形能力；
硬度：反映抗磨損能力；
脆性：當(dāng)外力達(dá)到一定限度時(shí)，材料發(fā)生無先兆的突然破壞，且破壞時(shí)無明顯塑性變形，即抗動(dòng)荷載或抗沖擊能力。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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