陶瓷材料的超塑性加工

發布時間 | 2019-02-28 16:25 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 4915

氧化鋯氧化鋁納米材料

導讀：塑性是指材料在外力作用下產生永久變形的能力，而超塑性是指材料在特定條件下，呈現出異常低的變形抗力和異常高的流變能力。

塑性是指材料在外力作用下產生永久變形的能力，而超塑性是指材料在特定條件下，呈現出異常低的變形抗力和異常高的流變能力。

不同材料具有不同的塑性變形能力，例如我們小時候玩的泥巴，小孩只需要用很小的力，就能隨心所欲改變泥巴的形狀，而裝飲料的塑料瓶，要改變其形狀卻沒那么容易，于是我們認為，泥巴的塑性比塑料瓶更好。在材料加工過程中，我們理所當然地希望材料的塑性能夠盡量地好，這樣我們易于獲得各種復雜形狀的材料。金屬材料一般都具有良好的塑性，因此可以采用諸如鍛造、沖壓等塑性加工方法實現材料的成形。

圖1 塑性加工方法可以實現金屬的異形件生產，作為脆性材料的陶瓷若能實現塑性加工，那么可以方便制造出各種復雜形狀的零件，在實現近凈成形的同時提高力學性能

（圖片來源：精鍛科技）

陶瓷材料在傳統意義上被認為是和磚、巖石等建筑材料一樣的脆性材料，其塑性變形的能力很差，但是由于陶瓷熱穩定性好、硬度高、耐磨耐腐蝕等特性，人們一直試圖突破千百年來陶瓷材料自身塑性的限制，希望能夠利用陶瓷的超塑性變形特性，使其像金屬一樣可以采用塑性加工手段制成精密尺寸的陶瓷零件。

布加迪威龍推動著陶瓷在汽車工業上的應用，其推出了一款大量采用陶瓷材料的豪車，售價高達4500萬元。陶瓷材制相對于傳統的金屬材料，顯然更輕，這樣必然實現了汽車輕量化。對于這種豪車級別的買主，車身輕量化顯然不是為了節能減排，而是在追求華麗外表的同時，突破速度的極限。據悉，該款布加迪威龍百公里的加速度只有2.5秒。不過，陶瓷材料勢必帶來汽車安全性的隱患。塑性差的陶瓷車身簡直就是高速奔跑著的“瓷娃娃”，斷然經不起劇烈的碰撞，因此，我們更應該用藝術品的眼光去看待這輛飛奔的陶瓷車。

圖2 布加迪威龍推出的全球限量版陶瓷車身跑車（圖片來源：全球車友匯）

當然，陶瓷車身以目前的技術，想要有更多應用空間，仍是鏡花水月。但是，以氧化釔穩定的氧化鋯材料 (Y-TZP) 為代表，超塑性陶瓷表現出了巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。

早在60年代，人們曾經利用傳統的塑性加工手段，如擠壓、鍛壓等，對陶瓷部件的制備進行嘗試，但是，由于需要在很高溫度下進行（如熱鍛氧化鋁陶瓷需要在1900℃下進行），這一思路被放棄了。圖3展示了陶瓷材料的超塑性沖壓，研究人員對氧化鋯、氧化鋁以及氧化鋯/莫來石復合材料進行實驗，發現陶瓷材料的塑性要在高溫、低速條件下才能實現大的變形。

圖3 陶瓷材料的超塑性沖壓

（圖片來源：《Development of Superplastic Structural Ceramics》）

直到1985年，日本名古屋國家工業研究所材料工作者Wakai等人采用氧化鋯基陶瓷材料（含5wt%SiO2的2.5Y-TZP）制作了最大拉伸形變量高達1038%的陶瓷“拉面”。可以想象，這就好比將一塊長度為10厘米的面團拉成長1米的拉面，而且還是使用的是脆性的陶瓷材料，這是多么的神奇!

自從氧化鋯陶瓷的超塑性被發現以來，學者們不斷探究其變形機制和根本原因。但是，目前對于陶瓷超塑性的變形機制尚沒有統一的認識，大多數模型都認為晶界滑動是超塑性的重要變形機制，但對晶界滑動的協調機制還未能完全闡明。

大連理工大學材料學院陳國清教授課題組對氧化鋯的超塑性變形行為進行研究，認為3Y-TZP 陶瓷的超塑性材料變形的主要機制為晶界滑移和擴散蠕變的疊加 (伴隨擴散的晶界滑動機制)。當晶粒尺寸較小時，前者占主導地位；當晶粒尺寸增大時，后者變得越來越重要。

圖4 超塑性壓縮前后的氧化鋯試樣

（圖片來源：《氧化鋯陶瓷超塑性變形行為及機理》）

除了陶瓷變形機理的研究，研究人員還著力于實現陶瓷的超塑性變形。目前，普遍認為，引入晶界玻璃相和細晶化是改善成型性能的兩種有效措施。而納米材料由于晶粒非常細小、晶界所占體積分數很大,很可能會在較低的溫度下表現出高應變速率或低應力超塑性,使這類陶瓷材料的超塑性加工成為現實。

例如，武漢科技大學的傅綠平利用納米氧化鋁超塑性，成功制備了輕量微孔剛玉材料。研究發現，與普通氧化鋁微粉相比，納米氧化鋁表現出更好的高溫超塑性，其超塑性可使材料閉口氣孔率增加，體積密度降低，晶內氣孔數量增加。制備出的輕量微孔剛玉材料具有顯氣孔率較低、閉口氣孔率較高、平均孔徑較小的優點，在高溫工業爐襯耐火材料輕量化中具有廣泛前景。

小結

陶瓷材料由于其共價鍵性強，高脆性，低的晶界擴散系數等特點，其應用受到很大的限制。陶瓷超塑性的研究克服了傳統陶瓷在加工以及應用的一些缺陷，使陶瓷如同金屬一樣，可以用鍛造、擠壓、拉伸、彎曲和氣壓脹形等成形方法直接制成精密尺寸的陶瓷零件，實現了陶瓷的超塑性成形。目前，對于超塑性陶瓷的研究仍處于實驗室階段。要使其實用化，還有很多問題需要解決,如提高應變速率、降低成型溫度和成型應力、避免孔穴的形成以及進一步弄清形變機理和擴散過程等。但是,由于超塑性加工方法具有傳統加工方法難以比擬的優點,極有希望成為未來陶瓷工業的重要加工方法之一。