01 硬度
硬度高是陶瓷材料最突出的特点之一,那硬度到底指什么?通俗地讲,硬度是指物质的坚硬程度,它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。一般使用尖锐的金刚石用力下压,通过形成的划痕大小检测物质的硬度。而陶瓷高硬度背后的原理即陶瓷材料具有离子键,或共价键的键合结构,高的键合能致使其不能被轻易破坏。
图片
不同材料的维氏硬度,来源:京瓷
02 刚度
表面上讲,刚度指抵抗弹性变形的能力。在材料上施加载荷,通过材料在该载荷下弯曲的变形量来表示刚性。材料的弯曲度越小,表示刚性越高,越不易变形。使用该方法检测刚性时,氧化铝和碳化硅的数值相当于不锈钢的两倍左右。
图片来源:京瓷
对陶瓷材料加工而言,一般刚性越高越好。例如,在切削成目标形状时,陶瓷材料的刚性越高,如果施加较大的力,越不容易变形,加工出的零部件精度越高。
通过对陶瓷材料的了解,我们会发现一个有趣的现象,陶瓷材料刚度的高低,和前面我们讲的硬度的高低甚至熔点的高低几乎是一致的,这又是为什么呢?
其实,硬度、刚度、熔点等均是陶瓷材料结合键能高低的外在反映,由于陶瓷材料具有离子键,或共价键的键合结构,因此陶瓷材料表现出高弹性模量,即陶瓷材料具有了高刚度的同时也具备了高硬度及高熔点等特性。
03 强度
至于实际断裂强度比理论强度低很多的原因在于:陶瓷并不是完全致密的,内部会存在一些不规则形状的气孔,这些气孔相当于裂纹,而且陶瓷内部组织结构复杂,且分布不均匀,最终导致了陶瓷材料实际的断裂强度低。
此外,不同的陶瓷材料其抗弯或抗拉强度不同,即使是同一种陶瓷往往也不相同,例如氧化锆陶瓷,还受到制备工艺和强化手段的影响。通过对陶瓷材料与金属材料抗压强度的对比可以发现,陶瓷材料的断裂强度虽然比金属低,但是它的抗压强度却远远高于金属。另外,陶瓷材料的抗压能力远远高于其抗拉能力,我们生活中常见的石拱桥便是利用材料抗压能力强的原理。
04 脆性
断裂韧性是一种表示表面或内部有龟裂的材料(龟裂材料)的断裂强度的度量。断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力,是本征属性,与裂纹的大小、形状以及外力大小无关。陶瓷材料对裂纹的敏感性很强,断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标,常用线弹性力学研究裂纹扩展和断裂的问题。