陶瓷如此脆弱的原因是什么?
陶瓷给人的印象总是十分脆弱的:一只瓷碗,掉在地上,就会“粉身碎骨”。
近年来,科学家们在对陶瓷进行悉心研究后发现,它之所以如此脆弱,主要依赖于两个原因:
第一,由于陶器的烧成温度比较低,通常为800℃~1000℃,因此气孔率比较高。在陶器碎片的断面上,不难看到许多小孔洞,且组成陶器的颗粒也比较粗大。陶瓷的烧成温度虽然要比陶器高得多(通常为1200℃~1400℃),组成的结构也要比陶器细密,用肉眼可能看不出有什么细微的缺陷,但是,如果你通过显微镜进行观察,在瓷器碎片的断面上,就可以看到有许许多多细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物。要是你把瓷器碎片放在倍数更大的电子显微镜下,那么,你将会发现陶瓷在晶体结构方面的缺陷,例如空位、位错等。而所有这些细微的裂纹、气孔、夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕,都可能成为陶瓷“碎骨”的发源地。
第二,由于陶瓷属于脆性材料,一旦出现裂纹,它不像金属那样具有塑性变形的能力。在热冲击的条件下,由于陶瓷的导热性较差,热膨胀系数大,热应力由此增加,因此,裂纹的扩展速度更会进一步加剧。在日常生活中,如果我们用沙锅炖(煮)食物,只能用文火慢慢加温,要是一开始就用猛火急烧,就会出现沙锅炸裂事故。即使是烧好后,也不能急于用冷水去冷却。
这是因为组成陶瓷材料的化合物往往是离子键和共价键的键性,这些化学键的原子不像金属键键合的原子那样排列紧密,而是有许多空隙,难以引起位错移动。从陶瓷的显微结构来说,其多晶体的晶界也会阻碍位移的通过,聚集的位移应力会导致裂纹的形成,并在超过一定的临界值后突然扩展。另外,组成陶瓷材料的晶体和玻璃相也多是脆性的。
增韧的方法一般有表面补强(例陶瓷表面的施釉、表面离子交换)、复合增韧(例金属与陶瓷的复合、纤维与陶瓷的复合)和相变增韧(如ZrO2的增韧作用)。
物体的断裂过程是:弹性形变,塑性形变,最后产生断裂。
在陶瓷受到较大的冲击力时,位错很难滑移,弹性形变和塑性形变很难发生,所以就瞬间断裂。
而在高分子材料中,也是以共价键结合,但是它是链状结构,但链与链之间的结合力并不是共价键,这些键的键能小,在受到冲击力时,链断裂,可以产生相对滑移,就可以弹性形变,塑性形变,再到断裂,所以高分子材料不表现脆性,而陶瓷表现出脆性。
脆性(Brittleness) 是陶瓷材料的一个致命弱点。陶瓷的脆性,其直观表现是:在外载荷作用下断裂是无先兆的,爆发性的;间接表现是:无机械冲击性和温度急变性。
脆性的本质主要由陶瓷材料的化学键性质和晶体结构所决定。陶瓷材料的化学键主要为离子键、共价键或离子-共价混合键。这些化学键不仅结合强度高,而且还具有方向性。从晶体结构看,在陶瓷中缺少独立的滑移系统,陶瓷材料一旦处于受力状态就难以通过滑移所引起的塑性形变来松弛应力。
另外,陶瓷材料中存在着大量的微裂纹,这些微裂纹易于引起应力的高度集中,导致陶瓷材料产生脆性断裂。
陶瓷材料是经过成形、烧结制成的一类无机非金属材料,主要分为传统陶瓷材料和新型陶瓷材料。
陶瓷材料组成相的结合键为离子键、共价键以及离子键和共价键的混合键。
传统陶瓷材料常见的陶瓷材料原料有黏土、氧化铝、高岭土等。陶瓷材料一般硬度较高,但可塑性较差。在历史的演变中,陶瓷器的制作技巧成为各个国家的重要科技发展,除了在食器、装饰的使用上,在科学、技术的发展上亦扮演重要角色。
磨削加工,是用高硬度的磨粒、磨具来去除工件上多余材料的方法。在磨削过程中,大体可分为三个阶段:弹性变形阶段(磨粒开始与工件接触)、刻划阶段(磨粒逐渐切人工件,在工件表面形 成刻痕)、切削阶段(法向切削力增加到一定程度,切削物流出)。 在磨削陶瓷和硬金属等硬脆材料时,磨削过程及结果与材料剥离 机理紧密相关。材料去除剥离机理是由材料特性、磨料几何形状、 磨料切入运动以及作用在工件和磨粒上的机械及热载荷等因素的交互作用决定的。 陶瓷属于硬质材料,其磨削机理与金属材料有很大的差别。