先进陶瓷的抗弯强度

抗弯强度，也称为弯曲强度或断裂模量，是一项关键的机械性能，它决定了材料在弯曲载荷下断裂前能够承受的应力大小。在先进陶瓷中，抗弯强度在决定其在结构、磨损和热冲击应用中的性能方面起着至关重要的作用。

与会先屈服后断裂的金属不同，陶瓷易碎，且不会发生塑性变形。因此，陶瓷的抗弯强度在设计和工程计算中尤为重要。

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Flexural-Strength.

为什么选择陶瓷作为高抗弯强度应用的材料？

先进陶瓷之所以成为高性能部件的首选，原因如下：

  • 高强度重量比：氮化硅和氧化锆等陶瓷重量轻的同时还具有出色的机械强度。
  • 卓越的热稳定性：陶瓷即使在温度 >1000°C 时仍能保持抗弯强度，性能优于大多数金属和塑料。
  • 耐磨、耐腐蚀：适用于含有化学品、磨料或湿气的环境。
  • 尺寸稳定性：负载下不会发生塑性变形，确保公差一致。
  • 延长使用寿命：即使在循环载荷和疲劳情况下也能持久耐用。

重点先进陶瓷的抗弯强度数据

Ceramic materials 抗弯强度（MPa）
Zirconium oxide (ZrO₂) 800–1200
Silicon Nitride (Si₃N₄) 700–1200
ZTA（氧化锆增韧氧化铝） 600–800
Silicon Carbide (SiC) 400–600
氧化铝（Al₂O₃，99.7%） 300–500
Aluminum Nitride (AlN) 300–400
碳化硼（B₄C） 200–400
Beryllium oxide (BeO) 150–250
可加工玻璃陶瓷 100–150

*Data is for reference only.

比较表：陶瓷、金属和塑料

下面的柱状图按降序显示了各种工程材料的抗弯强度（MPa），从超硬陶瓷到常见的工业塑料。

Ceramic
Metal
Plastic

*Data is for reference only.

*结论：虽然许多金属都具有韧性和延展性，但只有少数金属（例如钛合金）的抗弯强度接近顶级陶瓷。塑料通常远远落后。

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基于陶瓷抗弯强度的应用

应用：沉积或蚀刻室中的晶圆支撑板。
原因：这些板材要经受反复的热循环和机械负荷。
优点：陶瓷具有高抗弯强度（~900-1000 MPa）、优异的抗热震性和尺寸稳定性。
优点：防止高温加工过程中的翘曲或开裂，提高器件良率和工艺可靠性，延长恶劣环境下的使用寿命等。

应用：磨蚀性或腐蚀性流体泵中的柱塞组件
原因：柱塞在高压下承受周期性弯曲和压缩力。
优点：SSiC 的抗弯强度约为 800–1000 MPa，且具有出色的耐腐蚀性。
优点：在机械负荷下不会变形或断裂，在腐蚀性化学环境中性能优异，维护成本低，使用寿命长

应用：混合陶瓷球轴承
原因：球在运行过程中会受到径向载荷、离心力和微振动。
材料优势：氮化硅重量轻，具有优异的强度和抗疲劳性。
优点：转速更高，无热变形，与钢轴承相比使用寿命更长，在真空或高温条件下无需润滑即可运行。

应用：大功率 LED 基板和芯片载体
原因：薄陶瓷基板必须抵抗机械弯曲和热应力。
优点：AlN 的抗弯强度约为 300–400 MPa，热导率 >170 W/m·K。
优点：在热循环下保持结构完整性，支持功率器件小型化，实现高效散热，并具有长期可靠性。

应用：变电站的绝缘杆和结构支架
原因：风、电缆和环境压力产生的机械载荷需要高刚度。
优点：氧化铝陶瓷具有可靠的强度（300-450 MPa）和长期的户外耐久性。
优点：可靠的电气元件支撑结构，最大限度地减少户外条件下的老化，具有优异的机械和介电性能

应用：制动系统中的陶瓷摩擦元件
原因：刹车片必须在重复的热循环过程中抵抗剪切力和弯曲力。
优点：ZTA（氧化锆增韧氧化铝）具有增强的韧性和抗弯强度（~600-800 MPa）。
优点：耐磨性提高，与金属系统相比使用寿命更长，在极端制动条件下的安全性增强。

应用：CT、X射线和机器人设备中的结构支撑臂
原因：支撑臂在静态或动态载荷下需要精确的尺寸和刚度。
优点：MGC 的弯曲强度约为 150 MPa，并且可以加工至严格的公差。
优点：尺寸精度高、易于加工、电绝缘且热稳定，非常适合定制小批量生产。

重要的陶瓷材料

Silicon Nitride Ceramics-Advanced Ceramic Materials-Zihao Ceramics

Silicon Nitride Ceramics

Silicon Carbide Ceramics-Advanced Ceramic Materials-Zihao Ceramics

Silicon Carbide Ceramics

Aluminum oxide ceramics-Advanced ceramic materials-Chihao Ceramics

Aluminum oxide ceramics

Zirconia Ceramics-Advanced Ceramic Materials-Zhihao Ceramics

Zirconia Ceramics

Frequently Asked Questions (FAQ)

抗弯强度是指材料在弯曲过程中能够承受的最大应力，超过该值后材料将失效。对于陶瓷等脆性材料而言，抗弯强度至关重要。

由于陶瓷不能塑性变形，因此其在断裂前承受弯曲载荷的能力是结构应用可靠性的关键。

氮化硅和氧化锆是最强的材料之一，其强度通常超过 1000 MPa。

一些陶瓷的抗弯强度优于金属，尤其是在考虑重量与强度的比时，但它们更脆，需要精心设计以防止断裂。

抗弯强度通常使用三点或四点弯曲技术（ASTM C1161）进行测试。

一些陶瓷的抗弯强度优于金属，尤其是在考虑重量与强度的比时，但它们更脆，需要精心设计以防止断裂。

高纯度、颗粒结构和强离子/共价键使陶瓷具有优异的强度、低蠕变和磨损。

不是。氧化锆和氮化硅是最强的。可加工陶瓷强度较低，但更易于加工。

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