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ZrO2复合耐火材料的依据

文章来源:mobile.28365365.com 发布日期: 2018-05-16    阅读量(134)

ZrO2除其本身具有熔点高、化学稳定性好、热导率低和不易被玻璃和熔渣所浸润等作为耐火材料应有的优良性能之外,ZrO2与一些氧化物所形成的锆酸盐(复合氧化物)亦有较高的熔融温度,见表1。

表1 ZrO2与一些氧化物的熔融温度

在工业生产中,由于ZrO2价格昂贵,常以锆英石加入制品中,ZrO2·SiO2与其他氧化物生成低熔混合物的温度,见表2。

表2 ZrO2·SiO2与其他氧化物生成低熔混合物的温度

因为ZrO2具有良好的抗化学侵蚀稳定性,所以在一些制品中加入ZrO2或ZrO2·SiO2,可提高其化学稳定性。

在特种陶瓷制造过程中,人们常利用ZrO2的晶变以提高陶瓷材料的断裂韧性(KIC)和强度,见表3。

表3各种陶瓷的断裂韧性

将ZrO2加入莫来石、Si3N4、SiC等材质中,亦可提高KIC值,但以加入Al2O3中增韧效果最佳。这种增韧机理已引入耐火材料制造工艺中,以提高其抗热震性。

图1 3种不同的韧化机理

克劳森(Claussen)提出了3种不同的韧化机理:(1)应力诱导相变韧化;(2)微裂纹生成核;(3)表面相变韧化。这3种韧化机理如图1所示。

图2 裂纹前沿相变区

材料的增韧现象可由断裂力学来解释。含有细分散ZrO2的陶瓷材料强度的增加意味着在受张力的裂纹端部存在着消除或抵消应力集中的机理。这种裂纹“钝化”作用使材料能经受更大的负载直到重新达到临界断裂韧度KIC时,裂纹才有可能继续扩展。由此可以认为,材料强度增加可以从负载为零逐渐加大至临界值的裂纹端部所能吸收的能量Uc来量度,即位于裂纹端部的体积为Vc的材料(能量密度为ηc)所吸收的能量。设Vc呈半径为ρ的圆柱体(图2),这样裂纹前沿单位长度内材料吸收的能量为:


(1)

ρc范围内的ZrO2被“耗尽”之后,它吸收的能量为Uc,在这瞬间裂纹将向前扩展。这样Uc就等于裂纹向前扩展π/2·ρc距离时材料所吸收的能量。由此可以求得材料断裂韧度:

(2)

式中,E为材料的弹性模量。几种不同能量吸收机理同时存在时,Uc将由各相应项所组成,即属于基质本身之Uc,应力诱导转化吸收之能量UT及生成微裂纹后新生成面吸收的能量UM组成。


(3)

上式中Ko为基质断裂韧度,而ηt、ηM、ρt、ρM分别为不同机理的特性量值。从式(2)、式(3)中可以看出ρ对材料断裂韧度KIC有直接影响。

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