Глиноземная керамика является наиболее гибким и дешевым материалом среди оксидов с температурой плавления более 2000 ℃. Глиноземная керамика - это разновидность керамического материала с глиноземом в качестве основного корпуса. Керамика глинозема широко используется в области электроники, электроприборов, машиностроения, текстиля, авиакосмической промышленности и т. Д. Из-за ее высокой механической прочности, высокой твердости и низких диэлектрических потерь. Это также установило ее высокое положение в области керамических материалов. Сообщается, что глиноземная керамика является крупнейшим оксидным керамическим материалом в мире.
Структура глиноземной керамики относится к корундовому типу, который обладает характеристиками ионной связи, что делает систему скольжения значительно меньшей, чем у металлов, что приводит к отсутствию определенной ударной вязкости и пластичности. Поэтому вязкость разрушения низкая, что значительно ограничивает широкое применение глиноземной керамики. Итак, каковы основные методы закалки глиноземной керамики?
Укрепление пластинчатой структуры
Натуральные материалы, такие как бамбук и ракушка, обладают хорошими комплексными свойствами благодаря своей слоистой структуре. Люди получают вдохновение от этих природных структур, используя бионическую структуру для улучшения хрупкости и вязкости керамических материалов.
Слоистые композитные керамические материалы состоят из многослойных материалов. Модуль упругости и коэффициент линейного расширения каждого слоя различны, что приводит к макростатическому напряжению между слоями и сжимающему напряжению на поверхности. Под действием внешней силы энергия деформации может поглощаться в максимальной степени, и трещина может отклоняться и поворачиваться многократно вдоль границы раздела. Так, чтобы улучшить свойства поверхности и общую прочность.
Например, для слоистой керамики на основе оксида алюминия / никеля коэффициент линейного расширения никеля примерно в 1 раз больше, чем у оксида алюминия, который создает напряжение в слое оксида алюминия и обладает отличной способностью к отклонению трещин, поэтому материал имеет лучшую ударную вязкость.
Пластинчатая керамика представляет собой новый тип материала с широкой перспективой, но его главный недостаток заключается в том, что слабый промежуточный слой будет снижать прочность материала, а свойства, параллельные и перпендикулярные направлению промежуточного слоя, весьма различны, демонстрируя анизотропию. Таким образом, эксперты в отрасли выдвинули идею использования прочного промежуточного слоя для приготовления прочного промежуточного слоя из ZTA / глинозема. Ударная вязкость составляет более 10 МПа / м2, что в 2,8 раза больше материала ZTA и в 5,6 раза больше глиноземной керамики. Некоторые ученые смоделировали многослойную композитную керамику с помощью компьютера и обнаружили, что если прочность материала мягкого слоя слишком велика высокая или слишком низкая, общая ударная вязкость будет уменьшена, и, если отношение толщины твердого слоя к толщине мягкого слоя и модулю упругости увеличится, однородность твердого слоя может улучшить ударную вязкость керамики. идеи исследования и оптимизационные подходы для пластин из закаленной керамики.
Волокно Композитная Закалка
Результаты показывают, что эффективность упрочнения непрерывного волокна выше, чем у других методов упрочнения, и это самая высокая прочность керамических серий, которая может достигать около 20 МПа. м1 / 2, поэтому это очень эффективный способ улучшения хрупкости керамических материалов.
В этом методе волокна с высокой прочностью и модулем упругости диспергируются в керамической матрице. Под действием внешней силы часть нагрузки композита ложится на волокно, чтобы уменьшить нагрузку на саму матрицу. Более того, когда прочность волокна в матрице превышает его прочность, волокно будет вытягиваться. Кроме того, эти волокна также имеют перекрытие трещин и прогиб в матрице, чтобы предотвратить рост трещин. Три механизма закалки вместе улучшают ударную вязкость керамических материалов.
В настоящее время волокна, используемые в глиноземной керамике, представляют собой в основном углеродное волокно, волокно из карбида кремния, волокно из силиката алюминия и так далее. Обнаружено, что эффект ужесточения можно улучшить, увеличив отношение длины к диаметру. В форме волокна трехмерная тканая ткань с волокном обладает лучшим эффектом закалки. Подобно волокну, есть много глиноземной керамики, упрочненной усы, и эффект очень хороший. Потому что усы - это короткие волокна с монокристаллической структурой и очень маленьким диаметром (обычно менее 3 мкм). У него мало кристаллических дефектов, высоко упорядоченное расположение атомов, и его прочность близка к теоретическому значению силы связи между соседними атомами. Теория и практика доказывают, что это может улучшить ударную вязкость керамики. Если в керамику на основе глинозема вводить усы из карбида кремния (объемная доля до 20% - 30%), ударная вязкость сегмента может достигать 8-8,5 МПа / м2.
Механизм закалки усов - это не только вытягивание, отклонение трещин, преодоление трещин и закрепление, но и высокая прочность. Поэтому теоретически увеличение прочности, уменьшение модуля упругости и увеличение соотношения сторон усов могут улучшить эффект закалки. Недостаток керамики из оксида алюминия, упрочненной волокнами и усами, заключается в том, что трудно обеспечить равномерность перемешивания.
Само ужесточение
Так называемое самоупрочнение заключается в выращивании закаленных и упрочненных фаз в определенных технологических условиях. В определенной степени оно устраняет физическую или химическую несовместимость между матрицей и закаленной фазой и обеспечивает термодинамическую стабильность фазы матрицы и закаленная фаза.
Что касается глиноземной керамики, целью исследования преодоления хрупкости глиноземной керамики является ужесточение глинозема с различными ростовыми зернами. Основной механизм заключается в контроле направления роста зерен глинозема с помощью технологических мер, чтобы он мог вырасти в стержнеобразную и длинный столбик, сформированный вдоль некоторых кристаллических поверхностей, который играет аналогичную роль в упрочнении усов. В случае внешней нагрузки хвост трещины будет образовывать режим перекрытия, а анизотропный рост оксида алюминия также будет вызывать отрыв, отклонение трещины и другие механизмы ужесточения, что улучшит ударную вязкость всей глиноземной керамики.
Фазовое преобразование, ужесточение
Это своего рода формула ужесточения, которая была изучена ранее и широко. Она искусственно создает большое количество чрезвычайно мелких трещин в материале для поглощения энергии и предотвращения роста трещин. Большинство из них сосредоточены на мартенситном превращении ZrO2 и ZTA, ZTM и другие керамические материалы являются успешными. ZrO2, диспергированный в глиноземной матрице, из-за их различного коэффициента линейного расширения, частицы ZrO2 подвергаются сжимающему напряжению, и фазовое превращение блокируется во время охлаждения. Затем, когда материал подвергается воздействию внешней силы, давление на частицах ZrO2 релаксирует, тетрагональная фаза превращается в моноклинную фазу, и микротрещины образуются в матрице после объемного расширения, и энергия главных трещин поглощается для достижения эффекта ужесточения. Это механизм ужесточения, вызванный напряжением преобразование.
В механизме закалки, в дополнение к механизму индуцированного преобразования ZrO2, трансформация вызывает расширение объема, а явление выдавливания из области трещины в область без трансформации делает трещину близкой, трудной для расширения, а также улучшает ударную вязкость. Некоторые исследователи обнаружили, что лучший эффект закалки был получен, когда объемная доля ZrO2 составляла 20%.
Технология керамического упрочнения в течение длительного времени будет горячей технологией в области материалов. Если присущие керамическим материалам характеристики, такие как высокая прочность, высокая термостойкость и низкий коэффициент расширения, могут быть объединены с высокой ударной вязкостью, это будет высококачественные материалы, о которых мечтает область материалов, и область применения очень обширна. Давайте кратко представим некоторые применения глиноземной керамики.
механический
Прочность на изгиб спеченных глиноземных керамических изделий может достигать 250 МПа, а у изделий из горячего прессования - 500 МПа. Твердость по Моосу глиноземной керамики составляет до 9. Кроме того, она обладает отличной износостойкостью, поэтому ее широко используют в производстве. режущих инструментов, шаровых кранов, шлифовальных кругов, керамических гвоздей, подшипников и т. д., среди которых наиболее широко используются глиноземные керамические режущие инструменты и промышленные клапаны.
Глинозем керамический резак
Оптимальная скорость резки глиноземного керамического инструмента выше, чем у обычного инструмента из цементированного карбида, который может значительно улучшить эффективность резки различных материалов. Благодаря большим исследованиям ученых, композитная керамика из глиноземной матрицы и керамика, усиленная усами, состоят из две фазы путем добавления других компонентов или существуют в матрице в виде твердого раствора. Эти технологии восполняют недостатки чистой глиноземной керамики, тем самым улучшая ее режущие характеристики и долговечность.
Электроника / мощность
Что касается электроники и электроэнергии, существуют различные глиноземные керамические подошвы, подложки, керамические пленки, прозрачная керамика и различные глиноземные керамические электроизоляционные керамики, электронные материалы, магнитные материалы и т. Д., Из которых глиноземно-прозрачная керамика и подложки являются наиболее широко распространенными. используемый.
Глинозем прозрачная керамика
В настоящее время прозрачная керамика является важной границей в области исследования и применения материалов. Как новый материал, прозрачная керамика не только обладает широким диапазоном пропускания света, но также имеет ряд преимуществ, таких как высокая теплопроводность, низкая проводимость. , высокая твердость, высокая прочность, низкая диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери, хорошая износостойкость и коррозионная стойкость.
Глинозем керамическая подложка
Глиноземная керамическая подложка обладает преимуществами высокой механической прочности, хорошей теплоизоляции и высокой светостойкости, что широко используется в многослойных электропроводных керамических подложках, электронных упаковках и упаковочных подложках высокой плотности.
Химическая промышленность
При химическом применении глиноземная керамика имеет широкий спектр применения, например, шарик химического глиноземного керамического наполнителя, неорганическая микрофильтрационная мембрана, антикоррозийное покрытие и т. Д., Среди которых глиноземная керамическая мембрана и покрытие являются наиболее изученными и применяемыми.
медицинская
В медицине глинозем чаще используется для изготовления искусственных костей, искусственных суставов, искусственных зубов и т. Д. Керамика из глинозема обладает превосходной биосовместимостью, биологической инерцией, физической и химической стабильностью, высокой твердостью и износостойкостью и является идеальным материалом для приготовления искусственных костный и искусственный сустав. Однако он имеет те же недостатки, что и другие керамические материалы, такие как высокая хрупкость, низкая вязкость разрушения, высокая технологическая сложность, сложная технология и т. д., поэтому он требует дальнейших исследований и применения.
Архитектура / санитария / керамика
В области строительства санитарной керамики повсюду можно встретить такие продукты, как керамический глиноземный кирпич, шлифовальная среда, валик, керамическая защитная труба и огнеупор из глинозема. Среди них наиболее широко используется среда для фрезерования глиноземного шарика.
Очарование материаловедения заключается в том, чтобы учиться у сильных сторон друг друга, чтобы компенсировать слабые стороны друг друга, и создавать идеальные материалы. В дополнение к вышеупомянутым применениям глиноземная керамика также широко используется в других высокотехнологичных областях, такие как аэрокосмическая промышленность, высокотемпературные промышленные печи, композитное армирование и другие области. С непрерывным развитием технологии закалки, глиноземные керамические материалы будут иметь лучшие свойства и более обширные области применения.
