簡析陶瓷耐磨效能的影響因素

耐磨陶瓷材料廣泛用於研磨拋光材料、耐磨塗層、管道或裝置內襯、裝置結構件等等領域，其耐磨效能的好壞直接決定了機械裝置及零件等的安全使用年限。常見的耐磨陶瓷材料有氧化鋯、氧化鋁、立方氮化硼、氮化矽、碳化硼、碳化矽、等等。

為了獲取耐磨效能更為優異的耐磨陶瓷材料，許多學者對陶瓷材料的磨損機理及影響陶瓷耐磨效能的因素做了研究，並提出來了許多觀點及結論。總的來說，影響陶瓷耐磨效能額因素有兩方面：1、材料本身的組織結構；2、外部因素如載荷、溫度以及氣氛等。 本文將從材料的自身結構出發，對耐磨材料的耐磨的影響因素進行簡析。

一、力學效能對陶瓷耐磨效能的影響

在早期研究陶瓷材料的耐磨效能時，人們認為陶瓷材料的硬度跟磨損效能有很大的關係，後來發現，陶瓷的硬度和磨損的關係並不是那麼的明顯，例如氧化鋁陶瓷的硬度要高於TZP氧化鋯陶瓷，但耐磨效能並不一定高於TZP陶瓷。

硬度雖然在一定程度上能夠反應晶界的結合強度，但磨損最終是由於材料脫離磨損表面而形成的，因此陶瓷材料的硬度不再作為衡量磨損的一個預見性指標。

也有研究報道，陶瓷材料的脆性直接影響磨損率。有研究表明，隨著材料斷裂韌性的和硬度的提高，陶瓷的磨損率逐漸的降低，耐磨性越好。

二、陶瓷的顯微結構對耐磨效能的影響

通常情況下，材料的微觀結構往往會對材料的宏觀效能有著極大的影響。陶瓷材料是晶粒和晶間組成的燒結體，其顯微結構往往決定著其宏觀效能。有許多研究表明，陶瓷材料的耐磨效能與晶粒的大小，晶界相的組成，晶界上的應力分佈，氣孔等等顯微結構有著極大的聯絡。

1. 晶粒的尺寸對陶瓷耐磨效能的影響

工業上，金屬材料可以透過細化晶粒的方式來使其力學效能提高，這就是所謂的細晶強化。其原理主要在於晶粒的粒徑越小，晶界的面積也就越大，晶界的分佈也就會越曲折，可以有效的增加裂紋擴充套件的路徑，有利於分散材料內部的應力集中現象。人們透過研究發現，晶粒細化對陶瓷材料的耐磨效能也有這一定的影響。

學者們對氧化鋁及氧化鋯耐磨陶瓷的耐磨性進行研究中發現，較小晶粒以是塑性變形和部分的穿晶斷裂為主，磨損較少；較大晶粒則以材料內部沿晶斷裂，甚至大晶粒從材料內部拔出的方式發生較大的的磨損。而大尺寸的晶粒的拔出，將對陶瓷表面造成較大的缺陷，使材料的容易造成應力集中，產生裂紋擴充套件，而使材料發生低應力脆性斷裂。

2. 氣孔率對陶瓷耐磨效能的影響

氣孔對陶瓷的效能有著很重要的影響，氣孔相當於一種缺陷的存在，它會造成應力的集中， 加速裂紋的擴充套件，降低晶粒之間的結合強度，嚴重影響陶瓷製品的力學效能。在摩擦力的作用下氣孔之間可能會彼此連線起來形成裂紋源，加速材料的磨損。

此外，有研究發現在不同的載荷下，陶瓷的磨損率並不一樣，在低載荷時氣孔不會造成裂紋的擴充套件；而在高載荷的情況下，氣孔變得不穩定，會在氣孔處形成裂紋及擴充套件裂紋，導致製品磨損率極高，抗磨損突變能力變弱。

3. 晶界相以及晶間雜質的影響

陶瓷是由晶粒，晶界相和氣孔等組成，在燒結的過程中，加入到陶瓷當中的一些新增劑和一些雜質成分主要是以“第二相”或者“玻璃相”的形式存在於晶界上，他們的存在會對晶粒之間的結合強度造成一定的影響。在陶瓷摩擦磨損的過程中，裂紋很容易在晶界處產生。較低的晶界結合強度會造成在磨損過程中的沿晶斷裂，引起整片晶粒的拔出，造成嚴重磨損。

多晶陶瓷的新增劑一般會以玻璃相的形式存在於陶瓷晶界上，在摩擦的過程，產生的高溫會降低玻璃的粘度，從而引發塑性變形，若鄰近的晶界的應力不能相適應則會引發晶界處的裂紋，引發嚴重磨損。

如果適量的新增劑可以在晶界處形成第二相，則往往是有利於材料的耐磨效能的，例如往氧化鋁中加入氧化鋯，做成氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷又名ZTA陶瓷，由於t-ZrO2應力誘導相變臨界應力的提高有利於陶瓷材料斷裂韌性和強度的改善，在微觀結構方面， 氧化鋯和氧化鋁又能相互抑制晶粒長大，達到微晶化效果，進一步提高耐磨效能。ZTA陶瓷在耐磨陶瓷領域的成功應用就是很好的例子。