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　　· 470 · 材料导报 2009年 5月第23卷专辑Ⅻ 氧化铝陶瓷与石墨材料基础理论的研究进展 刘 军，贾 碧，赵子鹏，施 强，叶振华 (重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 401331) 摘要 氧化铝陶瓷与石墨作为新型材料广泛应用于机械、电子、航空、石油化工、原子能等领域，二者具有一定 的相似性能，其制备、结构及性能的研究已得到广大科技工作者的重视 ，但对其性能基础理论的对 比研究还不够。对 氧化铝陶瓷和石墨材料的耐磨性、疲劳、抗氧化性、形变、导电等性能进行了比较 ，指出在某些领域可用氧化铝陶瓷取 代石墨材料。氧化铝陶瓷的高强度、耐磨、不易变形等性能能更好地满足工业加工，对节能环保具有重大意义。 关键词 氧化铝陶瓷 石墨 耐磨性 抗氧化性 导电 ResearchonAluminaCeramicandGraphiteFoundationalTheory LIU Jun，JIA Bi，ZHAO Zipeng，SHIQiang，YEZhenhua (SchoolofMetallurgyandMaterialsEngineering，ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331) Abstract Aluminaceramicandgraphitearewidelyappliedinmachinery，electronics，aviationpetrochemicals，a— tomicenergyandotherfieldsasnew materials，scientisthavebeenpayingattentiontotheprocessofproductionandstructure ofthem．Therearemanysimilarpropertiesbetweenthem ．buttheresearchoffoundationalperformaneeofthetWOiSnote- nough．Inthispapersomepetrochemicalsofthetwomaterialsarediscussed，suchaswearresistancesproperties．fatigueper— formance，anti—oxidativeability，thermo-mechanicalprocessingand electricalconductivity．ItSpointedoutthataluminace— ramiccantaketheplaceofgraphiteinsomefields．Aluminaceramicmeetstheneedsofindustrialprocessbetterbecauseofits highstrength，excellentwearresistenceandSOOn，thatissignificatforenergysavingandenvironmentalprotecting． Keywords aluminaceramic，graphite，wearresistanceproperties，anti—oxidativeability，electricalconductivity 晶的陶瓷材料，分为高纯型与普通型2种：高纯型氧化铝陶 0 引言 瓷是Al0。含量在 99．9 以上的陶瓷材料；普通型氧化铝陶 石墨材料广泛用于制作冶炼用 的高温坩埚 、高级耐火材 瓷按Al0。含量的不同分为99瓷、95瓷、9O瓷、85瓷等品 料与涂料 、机械工业用 的润滑剂 、军事工业用 的火工材料安 种 。氧化铝陶瓷在莫氏硬度表中位列第 9(仅次于金刚石)， 定剂、电气工业用的碳刷、电池工业用的电极 、化肥工业用 的 密度约为 3．99g／cm。；晶体结构属六方晶系(如图1所示)[3]。 催化剂等 ，经过深加工能生产 出石墨密封材料、石墨复合材 高温下机械强度大，抗热震性好，抗侵蚀性强，热膨胀系数 料和石墨减磨添加剂等高新技术产品，正逐渐成为各工业部 小，耐热 、耐腐蚀性好。 门重要的非金属矿物原料。氧化铝陶瓷材料主要用作 电子 元器件 、球磨机内衬、耐腐蚀管道内衬和氩弧焊焊枪喷嘴等。 氧化铝材料与石墨材料相比，从储量上看，目前我 国已探 明 的石墨储量约2O亿 t，氧化铝在地壳中的储量丰富 (约 占地 壳总质量的25 )l1]，远远高于石墨的；从制备过程看 ，石墨 制备过程中耗能高、污染较重l2]，制备氧化铝陶瓷能耗相对 较少，无污染 ；从性能上看，氧化铝陶瓷除性能与石墨材料具 有一定的相似性外，其 电绝缘性、抗氧化性、强度、硬度、耐磨 性等性能远远优于石墨，从而使氧化铝陶瓷具有更广阔的应 用前景 ，在某些领域甚至可以取代石墨材料 ，同时对节能降 耗也具有重要意义 。 图1 氧化铝陶瓷结构 Fig．1 Thestructureofaluminaceram ics 1 氧化铝陶瓷与石墨材料的结构与性能 1 ． 2 石墨材料的结构与性能 1．1 氧化铝陶瓷的结构与性能 石墨材料质软，呈黑灰色，硬度为 1～2，密度为 1．72g／ 氧化铝陶瓷(Aluminaceramics)是一种 以a—A1。0。为主 cm。。结晶格架为六边形层状结构，属六方晶系Ⅲ，具有完整 贾碧：女，1964年生，教授 ，主要从事先进结构陶瓷材料与制品的研究 E-mail： 氧化铝陶瓷与石墨材料基础理论的研究进展 ／刘 军等 ·471 · 的层状解理，其结构如图2所示。石墨的工艺特性主要取决 瓷材料还是不能回到低磨损率区，这与金属材料不同。当诱 于它的结晶形态 ，不同结晶形态的石墨矿物具有不同的工业 发陶瓷次表面产生裂纹时，磨损过程发生转变。这种转变过 价值和用途。石墨是一种特殊的非金属材料，兼具金属材料 程是由陶瓷材料 的性质所决定的。 的部分优 良性能，且具有 良好的导 电性和导热性 。石墨的纯 度越高，所表现出来的力学性能就越明显，碳含量在 99．9 以上的石墨被称为高纯石墨 。 载荷或滑动速度 — —-一 图4 陶瓷材料的相对磨损率随载荷和滑动速度 变化关系的示意 图 Fig． 4 Thesketchofceram ics rateofwearatdifferent 图2 石墨结构 loadandslidingvelocity Fig．2 Thestructureofgraphite 对于石墨而言，由于其质地较软，工业上一般不直接利 用其耐磨性 ，往往作为添加剂来改变其它材料的性质，如添 2 氧化铝陶瓷与石墨材料部分性能比较 加剂航空航天工业 的钛合金 中。由于摩擦系数大 ，耐磨性 2．1 耐磨性 差，极大地限制了其在工程上 的应用 。近年来 ，材料工作者 陶瓷材料磨损的主要形式为粘着磨损 、磨粒磨损和疲劳 发现 ，解决这一难题 的途径是降低对磨表面的摩擦系数 ，在 磨损等。其表面一般存在一层吸附层 ，吸附层的性质取决于 减磨材料中，石墨是一种优 良的固体润滑剂，通过 自润滑作 陶瓷材料的类型 。对于非氧化物陶瓷，其吸附层为氧化层 ； 用可大大降低材料的磨损_7]。 对于氧化物陶瓷，其吸附层为水蒸气或碳氢化合物。在吸附 2．2 疲劳 层下面有一个变形层 ，是陶瓷本身在加压成型过程 中形成 氧化铝 陶瓷材料 的疲劳一般认为可分为 2个过程 ：(1) 的，因而表面存在一定的残余应力 。氧化铝陶瓷的表面结构 由众多的微缺陷中慢慢发展出一条主裂纹的损伤过程；(2) 示意图如图 3所示 。 主裂纹的缓慢亚临界扩展直至最后失稳断裂。实际上许多 吸附层 氧化铝陶瓷材料往往是突发性地脆断，很难看到慢裂纹扩 变形层 展 ，因此在很长的时间里 ，人们对其是否存在疲劳性能相当 基层 谨慎，许多人认为它不存在疲劳效应。事实上 ，只要材料在 图3 氧化物陶瓷表面结构示意图 低于强度值的外载荷作用下发生延迟断裂，无论在受载过程 Fig．3 A sketchofaluminaceramicssurfacestructure 中有没有慢裂纹扩展 ，都可视为疲劳现象l8]。其疲劳特性和 当陶瓷摩擦副作相对运动时，实际接触面只是微凸体顶 可靠性的研究对于工程应用至关重要 ，尤其是在长期载荷和 部很小的区域。这些小区域会发生弹性变形，当载荷增大时 循环载荷作用下失效规律对构件寿命的评价都极为关键 。 会进一步发生塑性变形 ，使接触面积进一步增大；载荷继续 在已知的载荷和环境条件下，如果强度衰减速率 已知 ，就很 增大 ，变形加剧 ，由于陶瓷的塑性变形能力差 ，陶瓷表面层会 容易评价寿命 ]。氧化铝陶瓷的弯曲强度随加载速度的变 被破坏E。 化如表 1所示 。 在无润滑条件下，陶瓷的摩擦系数一般较高，由于陶瓷 表 1 氧化铝陶瓷的弯 曲强度随加载速度的变化 的韧性较低 ，导热性较差，在摩擦磨损过程 中受作用时表面 Table1 Variationofbendingstrengthofaluminawith 容易产生裂纹，发生晶界断裂 ；在润滑条件下，陶瓷摩擦表面 loadingrates 可能与润滑化学介质发生摩擦化学反应甚至可能产生诱导 裂纹。氧化铝陶瓷的摩擦磨损性能主要是 由其硬度、塑性变 形、缺陷、热稳定性、化学稳定性、表面结构、表面粗糙度等决 定，晶粒尺寸也是一个影响因素，但载荷是决定磨损过程最 由表 1的结果可见 ，氧化铝陶瓷具有较明显的疲劳特 主要 的因素 。 性，强度BBIN·宝盈随加载时间的延长而较快地衰减，所以加载速度越 陶瓷材料的相对磨损率随载荷和滑动速度变化的关系 慢，所测得的强度越低 。 如图4所示。从图4中可以看出，当氧化铝陶瓷进入高磨损 石墨材料的疲劳工作最初是 L．Green等为了寻求稳定 率区后，即使再次恢复到低磨损率区的载荷和滑动速度，陶 的高温结构材料时发现的，所用 的材料是 ECA级石墨 ，沿平 · 472 · 材料导报 2009年 5月第 23卷专辑Ⅻ 行于挤压方向取样 ，在 1900周／rain的频率下给样品反复加 因此氧化铝陶瓷材料的延伸率很低 。 载，加载方式为对称弯折R一一1，在常温和高温(1927℃)下 氧化铝陶瓷制品一般具有较高的抗折强度，其强度大小 言鼍兽R氇 堪 对该石墨的应力寿命 N曲线所示)进行描述 ，指 出 在很大程度上取决于晶体的大小和引入的添加物。研究表 石墨材料在室温下的疲劳寿命曲线形式类似于金属 ，但是 曲 明，在氧化铝陶瓷制品实验中引入含镁添加物可明显提高其 线的水平部分体现出比金属少得多的循环数 ，而且发现 了与 强度。在高温下，氧化铝陶瓷制品的抗折强度有所降低，在 金属疲劳类似的疲劳极限与短时拉伸强度成 比例 的现象；在 155

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