Hvad er de faktorer, der påvirker slidstyrken af keramik?
Slidfaste-keramiske materialer bruges i vid udstrækning inden for slibe- og poleringsmaterialer, slidbestandige-belægninger, indvendige foringer af rør eller udstyr og strukturdele osv., og deres slidbestandige egenskaber bestemmer direkte den sikre levetid for mekanisk udstyr og dele. Almindelige slidbestandige keramiske materialer omfatter zirconiumoxid, aluminiumoxid, kubisk bornitrid, siliciumnitrid, borcarbid, siliciumcarbid osv.
For at opnå slidbestandige-keramiske materialer med bedre slidstyrke har mange forskere studeret slidmekanismen af keramiske materialer og de faktorer, der påvirker slidstyrken af keramik. Generelt er slidstyrken af keramik påvirket af to faktorer, den ene er selve materialets struktur, og den anden er eksterne faktorer som belastning, temperatur og atmosfære.
Effekter af mekaniske egenskaber på slidstyrke af keramik
I den tidlige forskning af keramiske materialers slidbestandighed- menes det, at hårdheden af keramiske materialer er tæt forbundet med slidegenskaberne. Det viste sig senere, at sammenhængen mellem hårdhed og slid af keramik ikke var så tydelig. For eksempel er hårdheden af alumina keramik højere end TZP zirconia keramik, men slidstyrken er ikke nødvendigvis højere end TZP keramik.
Selvom hårdhed til en vis grad kan afspejle bindingsstyrken af korngrænsen, dannes der endelig slid på grund af materiale, der bryder væk fra slidoverfladen, så hårdheden af det keramiske materiale bruges ikke længere som et forudsigende indeks til at måle slid. Nogle undersøgelser viser, at med forbedring af brudsejhed og hårdhed af materialet falder slidhastigheden af keramik gradvist, og slidstyrken er bedre.
Virkninger af mikrostruktur på slidstyrke af keramik
Generelt har materialers mikrostruktur ofte stor indflydelse på materialers makroskopiske egenskaber. Keramisk materiale er et sintret legeme, der består af korn og inter-krystal, og dets mikrostruktur bestemmer ofte dets makroskopiske egenskaber. Mange undersøgelser har vist, at slidstyrken af keramiske materialer i høj grad er relateret til kornets størrelse, sammensætningen af korngrænsefasen, spændingsfordelingen på korngrænsen, porer og andre mikrostrukturer.
Kornstørrelse
I industrien kan metalmaterialer forbedre deres mekaniske egenskaber ved at raffinere korn, hvilket kaldes finkornsforstærkning. Hovedprincippet er, at jo mindre kornstørrelse, jo større areal af korngrænse og jo mere zigzag korngrænsefordelingen, hvilket effektivt kan øge revnevækstvejen og er befordrende for spændingskoncentrationen i det dispergerede materiale. Det har vist sig, at kornforfining har en vis indflydelse på slidstyrken af keramiske materialer.
Porøsitet
Porøsitet har en meget vigtig effekt på keramiks egenskaber. Poren svarer til eksistensen af en defekt, som vil forårsage spændingskoncentration, accelerere revneudvidelsen og reducere bindingsstyrken mellem korn, og dermed alvorligt påvirke keramikkens mekaniske egenskaber. Under påvirkning af friktion kan porerne forbindes med hinanden for at danne en revnekilde, hvilket fremskynder materialets slid.
Korngrænsefase og interkrystallinsk urenhed
Keramik er sammensat af korn, korngrænsefaser og porer. I sintringsprocessen findes nogle additiver og urenheder tilsat til keramik hovedsageligt ved korngrænsen i form af "anden fase" eller "glasfase", og deres eksistens vil påvirke bindingsstyrken mellem korn. Ved keramisk friktion og slid kan der let opstå revner ved korngrænsen. Den lave bindingsstyrke af korngrænser vil forårsage brud langs fibrene under slidprocessen, hvilket vil medføre, at hele korn trækkes ud og forårsage alvorligt slid.
Additivet af polykrystallinsk keramik findes sædvanligvis på korngrænsen i form af glasfasen. Under friktionsprocessen reducerer den resulterende høje temperatur glassets viskositet, hvilket fører til plastisk deformation. Hvis spændingen af den tilstødende korngrænse ikke er egnet, vil det forårsage revne ved korngrænsen og forårsage alvorligt slid.
Hvis en passende mængde additiver kan danne en anden fase ved korngrænsen, er det normalt gavnligt for materialets slidstyrke. For eksempel tilføjelse af zirconia til aluminiumoxid for at fremstille zirconia hærdet aluminiumoxid keramik, også kendt som ZTA keramik. Da stigningen af T-ZrO2-spændingsinduceret kritisk spænding er befordrende for forbedring af brudsejhed og styrke af keramiske materialer, kan zirconiumoxid og aluminiumoxid hæmme kornvækst og opnå effekten af mikro-krystallisationen med hensyn til mikrostruktur, for yderligere at forbedre slidstyrken.
