中国粉体网讯  陶瓷材料通常分为结构陶瓷和功能陶瓷，结构陶瓷一般为作为工程结构材料使用的一类陶瓷材料。与功能陶瓷不同，既然是作为工程结构材料使用，那我们往往会对结构陶瓷的力学性能有着苛刻的要求。

说到力学性能，我们通常在强度、刚度、硬度、脆性等方面拿陶瓷材料与其他材料做对比，那强度、刚度、硬度到底指什么，今天我们一探究竟。

硬度

我们先通过视频来看看京瓷对陶瓷材料硬度的演示。

硬度高是陶瓷材料最突出的特点之一，那硬度到底指什么？通俗地讲，硬度是指物质的坚硬程度，它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。一般使用尖锐的金刚石用力下压，通过形成的划痕大小检测物质的硬度。而陶瓷高硬度背后的原理即陶瓷材料具有离子键，或共价键的键合结构，高的键合能致使其不能被轻易破坏。

不同材料的维氏硬度，来源：京瓷

高硬度往往会带来高耐磨性，京瓷在将很小的玻璃珠长时间用力吹在精密陶瓷和金属上，检查其磨损程度的磨损测试中，先进陶瓷的磨损程度仅为不锈钢的十分之一左右。此外，在将安装了精密陶瓷和金属的圆盘在湿砂中进行8小时连续旋转的测试中，也得到了先进陶瓷更不易磨损的结果。同时，高硬度也赋予了陶瓷很高的切削性能，利用这些特性，先进陶瓷被广泛应用于泵零部件、切削刀具、密封圈、轴承零部件等用途。

刚度

我们先通过视频来看看京瓷对陶瓷材料刚度的演示。

表面上讲，刚度指抵抗弹性变形的能力。在材料上施加载荷，通过材料在该载荷下弯曲的变形量来表示刚性。材料的弯曲度越小，表示刚性越高，越不易变形。使用该方法检测刚性时，氧化铝和碳化硅的数值相当于不锈钢的两倍左右。

图片来源：京瓷

对陶瓷材料加工而言，一般刚性越高越好。例如，在切削成目标形状时，陶瓷材料的刚性越高，如果施加较大的力，越不容易变形，加工出的零部件精度越高。

同样，材料刚度高低背后的机理又是什么呢？

首先我们了解一个概念——弹性模量。通常情况下，物体所受力与长度变化量成正比的变形称为弹性变形，其比值就是弹性模量。更严格的定义，在弹性范围内，应力-应变曲线的斜率即是弹性模量。而刚度即是弹性模量大小的外在反映，即抵抗变形的能力。

通过对陶瓷材料的了解，我们会发现一个有趣的现象，陶瓷材料刚度的高低，和前面我们讲的硬度的高低甚至熔点的高低几乎是一致的，这又是为什么呢？

其实，硬度、刚度、熔点等均是陶瓷材料结合键能高低的外在反映，由于陶瓷材料具有离子键，或共价键的键合结构，因此陶瓷材料表现出高弹性模量，即陶瓷材料具有了高刚度的同时也具备了高硬度及高熔点等特性。

强度

下图是陶瓷材料与金属的应力-应变曲线，可以发现陶瓷材料在室温受到应力时，几乎没有塑性变形，属于典型的“脆断”，所以我们平常说的陶瓷材料的强度主要是指它的断裂强度，主要包括弯曲强度，拉伸强度、压缩强度等。

一个有趣的现象是，陶瓷的理论断裂强力非常高，但是往往我们测得的陶瓷材料实际断裂强度比理论强度低很多很多，甚至是比金属还低，而上面我们不是说了陶瓷材料的离子键或共价键键合能比较高吗，那这又是如何导致的呢？

从微观概念出发，陶瓷的理论强度是其原子间的结合力发挥到临界点时的强度值。根据原子一分子论，理想晶体的断裂强度σth和屈服强度分别以式（1）和式（2）表示：

其中E、rs 、G、a分别为弹性模量、表面能、切变模量和原子半径。通过此公式可预测出陶瓷材料的理论断裂强度。

至于实际断裂强度比理论强度低很多的原因在于：陶瓷并不是完全致密的，内部会存在一些不规则形状的气孔，这些气孔相当于裂纹，而且陶瓷内部组织结构复杂，且分布不均匀，最终导致了陶瓷材料实际的断裂强度低。

此外，不同的陶瓷材料其抗弯或抗拉强度不同，即使是同一种陶瓷往往也不相同，例如氧化锆陶瓷，还受到制备工艺和强化手段的影响。通过对陶瓷材料与金属材料抗压强度的对比可以发现，陶瓷材料的断裂强度虽然比金属低，但是它的抗压强度却远远高于金属。另外，陶瓷材料的抗压能力远远高于其抗拉能力，我们生活中常见的石拱桥便是利用材料抗压能力强的原理。

脆性

断裂韧性是一种表示表面或内部有龟裂的材料（龟裂材料）的断裂强度的度量。断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，是本征属性，与裂纹的大小、形状以及外力大小无关。陶瓷材料对裂纹的敏感性很强，断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，常用线弹性力学研究裂纹扩展和断裂的问题。下式用来评价材料的断裂韧性：

K_IC＝Yσ_f a^1/2

式中KIC为断裂韧性；σ_f为临界应力，即材料的断裂强度；Y为裂纹的几何形状因子；a为1/2裂纹长度。陶瓷材料的韧性很差，通过对比可以发现，陶瓷材料的断裂韧性只有金属的1/60—1/100，这说明陶瓷材料的冲击韧性和断裂韧性都很差，即脆性很高，这是陶瓷作为工程材料最大的短板。

总结

强度：反映抗拉抗压抗弯能力；

刚度：反映抗变形能力；

硬度：反映抗磨损能力；

脆性：当外力达到一定限度时，材料发生无先兆的突然破坏，且破坏时无明显塑性变形，即抗动荷载或抗冲击能力。

（中国粉体网编辑整理/山川）

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