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上海硅t盐
No．1，1994

钛酸铝陶瓷的微裂纹化及其应用

黄岳祥
(上海科技大学201800)
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摘要

微裘纹现象是研究钍酸锅陶瓷的一个重要内容，年文篙进了钛酸铝陶瓷中微裂纹现象与结榭、晶粒只寸之间的关
系，以反对热膨胀性能、机桃性能的影睫。

一
、引言

‘高温结构陶瓷的损毁，在许多情况下归因于热冲击，选择热膨胀系数小的蛆分一直是改善
陶瓷材料抗热震性、延长其使用寿命的方向之一。近年来钛酸铝陶瓷之所以再次引起人们的兴
趣，正是由于其具有比熔融石英还低的热膨胀系数，以及实现了对其微观结构的控制，从而使其
商业化成为可能。目前在欧洲的一些主要发动机制造厂家已经出现了许多使用该材料的场合，如
在汽油或柴油发动机中Il=14于改善热效率的排气管}用作排气的多用途插件，活塞顶、涡轮增压器
管道等等，另外在有色金属冶炼中也找到了它的用途。
众多的研究表明[】】，钛酸铝陶瓷具有复杂的热膨胀行为，能否成功地使用该材料，主要取决
于两个方面的因素；一是如何控制钛酸铝的热分解，=是如何控制其微裂纹现象。对于第一个问
题，实践证明，添加一些添加剂，如MgO、SiO、Fc：0s、SrO，CaO等，与其形成固溶体钧方法
是非常有效的。目前欧洲日本市场上已有商品化豹钛酸铝粉体出售。对于第二个问题，由于既
有钛酸铝陶瓷本身的特征，如热膨胀系数严重各向异性，又牵涉到陶瓷制备工艺上的问题以及由
此带来的热学性能、力学性能的影响，因此相对来说控制较为困难，了解钛酸铝陶瓷的微裂纹现
象，对于研究制造钛酸镏陶瓷来说都是必要的

二、微裂纹的产生与结构的关系

钛酸铝是AI0。-TiO二元系统中唯一的化合物，它具有准板钛矿结构。Morosin和L-,~chI
根据研究结果绘制了这种结构，如图1所示。实心圆圈代表半平面上的离子，虚线代表l半苹面上
的键，双线表示共用边，这个图表示了一种扭曲的Me0八面体的特征组合，这种排列表明，这
些八画体在口、b轴方向通过共用边方式联接成双链，金属离子M．、M。占据在由盘曲八面律产生
的不规则四边形中心。‘‘

‘上海科技大学青年基金资助项目

Bayer在对多种准板钛矿材料的研究基
础上，在热膨胀系数与结构特征之间建立起了

一种定性的关系，他观察到在扭曲儿面体的双
链联接方向(l中0、b轴方向)具有最大的
热膨胀系数，而在儿面体的高度方向(图1中
c轴)具有最小的热膨胀系数，井利用实验结果
计算了钛酸铝陶瓷从室温到1000~C的热膨胀
系数值为t
n．=I1．8×10一。K一{ab=19．4×10KI

n。=一2．6×10一。K一

这个结果表明，钛酸铝陶瓷具有严重的热
膨胀各向异性，困此在冷却过程中局部区域产
生了复杂的内应力系统，导致在室温下产生严
重的微裂纹化和低的机械强度。
关于微裂纹是在冷却过程中形成的这一点
O●一t鼻千
也为Bucssem等人所证实，他们认为，微

fI．．．．．．．．_一-O●一鼻千
裂纹通常在高膨胀方向产生(即八面体连接方
凰1钍酸铝的晶体结构向)，这是由于晶粒在这些方向上键台引起了
张应力的产生，在低膨胀方向上形成压应力。徽裂纹的形成缓解了在冷却过程中形成的应力，最
终使钛酸铝陶瓷具有很低的热膨胀系数。但当加热以后，初始阶段热膨胀系数会因微裂纹时闭台
而增加，继续加热以后，热膨胀系数却并没有如预期的那样增加，这是由于钛酸锅陶瓷的热膨胀
行为进入了一个由微裂纹的重组而引起的弹性收缩控制阶段，这个观点也由实验得到了问接的
矣。
总之，钛酸铝陶瓷在300~C以上的热膨胀行为可从以下三个方面的综合效果掰到描述：
(1)巴重新组合的材料单晶速度扩展{(2)正在重新组合的材料经历弹性收缩}(3)宋重新组
合的村科根摆最小膨胀系数扩展。

三、微裂纹化与晶粒尺寸的关系

前面已经谈到热膨胀系数的严重各向异性是钛酸铝陶瓷产生微裂纹的本质原因，而显微结
构的差异同样也对钛酸铝陶瓷的微裂纹化带来影响。Kirchner和Gruver[5研究了晶粒尺寸对各
向异性材料中内部剩余应力以及微裂纹化程度的影响，结果表明，材料的微裂纹化程度(反映了
材料强度的高低)与晶粒尺寸大小有很大依赖关系，他们认为，在小晶粒中存在的剩余应力还不
足以形成裂纹，因为这个应力还不足达到使原子间分离所需的能量}而在一些较大的晶粒中，剩
余应力变化晨斟打开形成最小裂纹宽度所需的能量，然后这些裂纹还会扩展到一个不能进一步扩
展的区域，如晶粒中心(因为晶粒中心的剩余应力要比晶界上小得多)。这个结果已为显微结构分
析实验所证实。因此在钛酸铝陶瓷中必然存在着一个临界晶粒尺寸G大于G。的晶粒能自发形
成微裂纹，而小于的晶粒则不会自发形成微裂纹。估算值的大小是一个很有意义的事情，
Kuszyk和B