陶瓷低温应用环境：
随着科学技术的发展,低温环境的应用愈来愈多，例如航天技术，超导技术，受控热核聚变，高能物理，天然气液化,生物学
和生命科学等。在航天领域中，当航天器轨道处于深冷高真空的环境中,航天器外壳受太阳辐射面温度可高达200℃以上，而
得不到太阳辐射的一面，温度可降至-130℃以下。月球表面的最低温度更是达到了一183℃ ,登月飞船用材料必须经受这一温度。
发射航天器的运载火箭及航天器上的变轨发动机普遍采用液氢液氧作为燃料，它们的温度分别为一253℃和-183℃，因此液氢液
氧储存、输运系统用材料也必须考虑低温性能。无论是传统的低温超导技术(液氨温区)，还是具有应用前景的高温超导技术
(液氮温区)，都要在-100℃以下的低温和电场环境下工作。而在受控热核聚变系统的托卡马克装置中，需要大型低温超导体形成
约束磁场实现对聚变等离子的约束,在托卡马克装置的超导磁体中，需要用到绝缘支柱,这种绝缘支柱不仅要求在4. 2K的超低温下
能耐受到45kA的大电流，还要求有足够强度来抵抗强大电磁力对超导磁体的作用，更为严苛的是在核聚变反应中会放出大量中子
流,X射线和Y射线辐射,绝缘支柱还要求必须能够承受大剂量辐射。综上所述，在低温领域或低温工程中,常伴随着腐蚀、磨损、强
电场、强磁场及射线辐照等，而结构陶瓷材料的耐磨、耐腐蚀、电绝缘等性能使其在低温领城具有金属和高分子复合材料不可替代的优势。
例如，氮化硅陶瓷轴承已被应用在美国航天飞机，日本LE-7火箭液氢液氧发动机上。相对于金属和高分子材料,陶瓷材料低温特性的研究相对较少。
已经知道碳素钢在某个较低温度下会发生由韧性到脆性的转变,但是具有面心立方结构的奥氏体不锈钢和铝合金则没有明显韧脆转变，
可用于液氢液氧低温环境下，如用于制造火箭液氢液氧燃料贮箱。高分子材料在低温下，由于分子键热运动的减缓，分子链柔性的降低,分子间
距离的减小以及分子内引力的增加，聚合物性能将发生变化。不同种类高分子材料的低温性能有很大差别，如聚四氟乙烯直到- 253°C仍具有约
3%的伸长率,保持定韧性而不发脆,但尼龙66在一196°C时伸长率即为零，成为脆性材料。那么,结构陶瓷在低温下的抗弯强度、断裂韧性、热学
性能以及显微结构会发生什么变化,这就是本节所要分析与讨论的，也是结构陶瓷在低温领域应用的重要依据。
1、氧化锆陶瓷低温强度与韧性：
ZrO2陶瓷的低温力学性能的研究相对较早。在20世纪80年代Veitch等人研究了从室温至一196℃时Mg-PZT性能变化，后来Masashi等人将对Mg
PZT低温性能的研究扩展到液氦温度(4.2K)，发现强度和韧性都随温度降低而升高，且液氦温度以下的上升速率远大于室温到液氦温区。
而对于CeTZP陶瓷，根据CeO2摩尔含量在10. 8%~19.8%范围之间的CeOz稳定的氧化锆陶瓷和14Ce-TZP增韧的Al2O3陶瓷(ZTA)的低温强
度和韧性变化，在室温下强度和韧性最优的是12%CeTZP,但在77K和4.2K超低温环境下1. 65%Ce含量的氧化锆陶瓷具有最好的强度和韧性，
分别达到730 MPa和15 MPa●m1/2(Li,1996 ,1997)。陈海波和谢志鹏(2010)对低温下3Y-TZP强度和韧性的研究,其变化规律如图1-43所示，发现3Y-
TZP陶瓷在77K时强度和韧性分别比室温提高了22.8%和31.7%，这主要是低温下增强了3Y-TZP陶瓷的应力诱导相变增韧效果。分析表明,在
77K时应力诱导下可相变四方相含量比室温时提高了约1倍，因而大大提高了3Y-TZP陶瓷的低温力学性能。采用透射电镜观察试样的t-ZrO2到
m-ZrO2的马氏体相变形貌，发现典型的板条状和“人”字形马氏体相变组织。板条状组织是晶粒内部取向不同的晶带，晶带界面上
(见图1-45箭头处)有位错存在,缓解了晶格错配。
显然,低温断口的马氏体组织比室温断口更宽大,且相变组织的几率也高于室温断口，说明低温下
更易发生应力诱导相变。研究还证实若不施加应力，单纯随温度降低,3Y-TZP陶瓷内部不会发生四方相到单斜的自发相变，仅在试样表面由于降
温时存在温度梯度导致表面产生热应力(陈海波,2010)。热应力诱导表面四方F相发生相变，此相变可以保留到室温，从而在试样表面产生压应力
层,实现一定的增韧效果。
2.氮化硅陶瓷：
有关氮化硅陶瓷轴承球在低温下的抗压承载特性研究表明(古乐,2002),Si3N4,陶瓷球破碎的名义接触应力常温下约为23~26 GPa,但低温下约为27~29 GPa,
是金属轴承额定静载荷所要求4.6GPa的5倍以上,证明SisN,陶瓷球在超低温下的静承载能力能够满足滚动轴承的需要。有关氮化硅陶瓷的抗弯强度和断裂
韧性在低温下的变化规律,陈海波等人(2010)的研究发现，随温度下降抗弯强度升高，但韧性稍有降低，即Si3N4陶瓷的抗弯强度在293K、195K和77K时
分别为590MPa、699MPa、758MPa,195K和77K时比室温分别有18.6%和28. 5%的提高，断裂韧性在293 K、195 K和77 K时分别为7.0 MPa. m
