先进陶瓷的硬度简述

先进陶瓷以其卓越的机械性能而闻名,硬度是其最显著和最有价值的特性之一。在航空航天、电子、医疗和工业领域的高性能应用中,硬度对耐磨性、表面耐久性和尺寸稳定性至关重要。本文探讨了陶瓷硬度的概念,将其与金属和塑料进行了比较,并提供了主要陶​​瓷材料的详细硬度数据。

硬度

什么是硬度?

硬度是指材料抵抗局部塑性变形(例如压痕、刮擦或磨损)的能力。对于陶瓷,通常使用维氏硬度 (HV) 测试。在该测试中,将一个金刚石金字塔形压头在标准载荷下压入材料表面。压痕越小,材料越硬。由于其强大的离子/共价键和紧密堆积的晶体结构,先进陶瓷的硬度远超大多数金属和聚合物。

小贴士:硬度高不代表韧性高,比如碳化硅、氧化铝虽然很硬,但比金属脆,容易碎裂。

为什么硬度在先进陶瓷应用中如此重要

  • 耐磨性:更坚硬的陶瓷可抵抗磨损,从而减少部件的退化。
  • 精度和尺寸稳定性:非常适合精密加工中的严格公差。
  • 热障涂层:硬度提高了极端条件下抵抗热侵蚀的能力。
  • 耐腐蚀和耐化学性:硬质陶瓷在恶劣环境下仍能保持结构完整性。

主要先进陶瓷的硬度数据

陶瓷材料 维氏硬度(HV) 莫氏硬度 笔记
碳化硅(SiC) 2,500 – 3,100 9.5 优异的耐磨性
氧化铝(Al₂O₃) 1,800 – 2,200 9 价格实惠且高度耐用
氮化硅(Si₃N₄) 1,400 – 1,800 8.5 – 9 坚韧且热稳定
ZTA陶瓷 1,500 – 1,800 – 9 兼具硬度和韧性
氧化锆(ZrO₂) 1,200 – 1,400 8 – 8.5 高韧性,中等硬度
氧化铍(BeO) 1,200 – 1,400 ~9 高导热性
氮化铝(AlN) 1,100 – 1,300 ~8.5 导热性
可加工玻璃陶瓷 450 – 600 ~6 易于加工
氮化硼(h-BN) 25 – 40 2 非常柔软,润滑性能

*数据仅供参考。

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硬度对照表:陶瓷、金属和塑料

下面的条形图显示了各种工程材料的维氏硬度 (HV)——从超硬陶瓷到普通工业塑料,按从硬到软的顺序排列。

Ceramic
Metal
Plastic

*数据仅供参考。

基于陶瓷硬度的应用

应用:泵、压缩机、搅拌器和旋转轴
使用材料:碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)
原因:其极高的硬度确保了即使在腐蚀或高压条件下也能具有出色的耐磨性、低摩擦性和长使用寿命。

应用:化学计量泵、燃油喷射系统、高压流体控制
使用材料:氧化铝、氮化硅、ZTA、碳化钨
原因:高硬度可抵抗侵蚀和机械疲劳,在数百万次循环中保持紧密密封和流动精度。

应用:数控机床、晶圆加工设备、滑动机构
使用材料:氮化硅、氧化锆、氧化铝
原因:高硬度可在高速或振荡运动下提供出色的抗表面磨损和划伤性能。

应用:喷砂、泥浆泵送、燃料雾化
使用材料:碳化硅、碳化硼
原因:出色的硬度可最大限度地减少侵蚀,特别是在具有沙子、氧化铝粉末或泥浆等磨蚀性介质的环境中。

应用:航空航天陀螺仪、高速主轴、牙科手机
使用材料:氮化硅(Si₃N₄)
原因:重量轻但极其坚硬,可减少高速应用中的疲劳和摩擦磨损。

应用:个人防弹衣、防弹板、车辆装甲
使用材料:碳化硼、碳化硅、氧化铝
原因:在已知的最坚硬的材料中,高级陶瓷具有优异的抗冲击性和低密度。

应用:纺织机械和自动卷筒系统
使用材料:氧化铝、氧化锆
原因:表面硬度可抵抗螺纹或金属丝持续摩擦造成的凹槽和缺口。

应用:精密冲压、拉丝、磨料成型
使用材料:碳化钨、碳化硅
原因:极高的硬度使得在高强度重复操作中能够实现一致的尺寸控制和较长的使用寿命。

高硬度陶瓷推荐

常见问题 (FAQ)

碳化硼 (B₄C) 是已知最坚硬的陶瓷之一,维氏硬度高达 4500 HV。它用于装甲和磨料应用。

陶瓷具有强共价键或离子键以及刚性的晶格结构,这限制了塑性变形,这与具有更灵活的原子排列的金属不同。

硬质陶瓷很难用传统方法加工。它们需要金刚石磨削、激光切割或超声波加工,但MGC等可加工陶瓷除外,它们更容易加工。

ZTA 和氮化硅具有硬度和断裂韧性的平衡组合,使其适用于要求苛刻的机械应用。