中國粉體網(wǎng)訊  去吃拉面的時候，眼見廚師師傅一頓操作猛如虎，幾個回合就將一坨面團(tuán)拉成又細(xì)又長的面絲。小編在想有沒有人像我一樣經(jīng)常會好奇兩個問題，一個是拉面師傅能把一團(tuán)面拉多少個回合（2、2²、2³.......你是不是也在腦海里演算過），第二個問題是拉面怎會如此勁道，拉那么多次都拉不斷？和盛它的陶瓷碗簡直成了兩個極端，陶瓷為啥不能像拉面那樣拉伸呢？

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欸？不對吧，這么說是不是有點絕對呢，不管是什么陶瓷，“脆性大”是陶瓷的特征不假，但工業(yè)上明明還有一種陶瓷叫“超塑性陶瓷”，這種陶瓷可是能拉能扯的。今天我們就來說一說這種像“拉面”一樣的陶瓷-超塑性陶瓷。

超塑性陶瓷的來歷

首先我們先來了解什么是塑性，塑性是指在應(yīng)力作用下產(chǎn)生異常大的拉伸形變而不發(fā)生破壞的能力。結(jié)合拉面的例子，通俗的說就是在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，你可以把它拉長，但是不能把它拉斷。

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1986年，日本名古屋國家工業(yè)技術(shù)研究所的Wakai及其同事首次報導(dǎo)了3Y-TZP（3mol%Y₂O₃穩(wěn)定四方ZrO₂多晶體）在空氣氣氛中1723K時取得大于120%的均勻拉伸超塑性變形。除Y-TZP材料外，研究者們先后在Al₂O₃-ZrO2復(fù)合材料、Al₂O₃材料、莫來石材料、Si₃N₄材料、SiC-Si₃N₄材料、Ca₁₀（PO4）₆（OH）₂材料、Ni₃Al-多鋁紅柱石材料和ZrO₂強(qiáng)化的多鋁紅柱石材料等陶瓷材料中也發(fā)現(xiàn)了不同程度的超塑性現(xiàn)象。

陶瓷的加工成型和陶瓷的增韌問題一直是人們關(guān)注的、急待解決的關(guān)鍵問題，陶瓷超塑性的發(fā)現(xiàn)為解決這個問題打開了新途徑。隨著對陶瓷塑性拉伸研究的不斷深入，利用陶瓷的塑性，用現(xiàn)有的金屬成形方法(如擠壓、彎曲、脹形、拉深等)來成形陶瓷零件已經(jīng)開始受到關(guān)注。

超塑性機(jī)理

超塑性陶瓷一般是由納米陶瓷材料制備而成，產(chǎn)生超塑性的機(jī)理一般認(rèn)為這是由于擴(kuò)散蠕變引起的晶界滑移所致，擴(kuò)散蠕變速率與擴(kuò)散系數(shù)成正比，與晶粒尺寸的三次方成反比。

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普通材料只能在很高溫度下才表現(xiàn)出明顯的擴(kuò)散蠕變，與普通材料相比，納米塑性陶瓷的擴(kuò)散系數(shù)提高了3個數(shù)量級，晶粒尺寸降低了3個數(shù)量級，擴(kuò)散蠕變速率提高10-12倍。因此，在較低的溫度下（相對高溫而言），納米塑性陶瓷因其高的擴(kuò)散蠕變速率可對外應(yīng)力作出迅速反應(yīng)，造成晶界方向的平移，從而表現(xiàn)出超塑性，使其塑性大為提高。

超塑性變形條件

所謂超塑性也只是相對而言，并不像塑料和金屬一樣，天生就具備一定的塑性和延展性，不可能隨手拿過來用手一拉，超塑性就展現(xiàn)出來。要獲得超塑性形變，需要具備如下幾個條件：

1、具有較大的晶格應(yīng)變能力。

2、達(dá)到陶瓷材料熔點溫度的一半以上。

3、微晶且變形時能保持顆粒尺寸穩(wěn)定性。

4、具有較低的應(yīng)力指數(shù)n<3。

5、晶粒尺寸小，對超塑性陶瓷來說，需要<1nm。

提高陶瓷塑性的方法

1、相變增韌

除單晶體或在高溫下，陶瓷一般是沒有塑性變形的，即彈性變形后直接斷裂，這類材料稱為脆性材料，可以通過相變增韌的方式使材料獲得塑性從而改變斷裂方式。

2、纖維增韌

在陶瓷基體中加入第二相纖維而制成陶瓷基復(fù)合材料可以提高陶瓷的塑性。由于定向或無序排布的纖維加入，使陶瓷基復(fù)合材料韌性顯著提高，同時強(qiáng)度及抗熱震性也有顯著提高，這就是纖維韌化。

3、晶須韌化

晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料斷裂行為的實驗研究表明，晶須韌化大體同纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料相同，在材料斷裂時可能有幾種增韌機(jī)理：晶須橋聯(lián)、晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋釘軋和微裂紋增韌同時起作用，每種機(jī)理的貢獻(xiàn)與晶須的性質(zhì)及晶須、基體的復(fù)合方式密切相關(guān)。

晶須和短纖維類似，具有一定的長徑比，因此復(fù)合材料的制備過程中，當(dāng)晶須含量較高時，由于其橋聯(lián)效應(yīng)而使致密化變得困難，從而引起密度的下降。而用顆粒作為增韌劑制作顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料混合均勻化及燒結(jié)致密化都比纖維和晶須復(fù)合材料簡便易行。

陶瓷超塑性的意義

從納米陶瓷超塑性的發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)外先后開展了許多研究工作。利用這一特性可進(jìn)行陶瓷材料的超塑性成型和超塑性連接，例如發(fā)動機(jī)活塞環(huán)的制造，由名古屋工業(yè)技術(shù)研究所與Suzuki發(fā)動機(jī)公司合作完成。

陶瓷超塑性的出現(xiàn)使陶瓷的成型方法發(fā)生變革，并使復(fù)雜形狀部件的成型成為可能，它將變革現(xiàn)有燒結(jié)工藝，使成型和燒結(jié)一次完成，為開發(fā)新型結(jié)構(gòu)陶瓷開辟了一條新途徑。利用陶瓷的超塑性，通過熱鍛等手段調(diào)整、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而可以根據(jù)材料設(shè)計原則來獲得所需結(jié)構(gòu)、具備特殊性能的新型材料。

參考來源：

[1]張文俊.提高陶瓷超塑性研究

[2]云斯寧.納米陶瓷超塑性及應(yīng)用

[3]盧旭晨.陶瓷超塑性及其應(yīng)用

[4]上海硅酸鹽研究所

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