对于许多应用而言，最坚固、最耐用的工程陶瓷是碳化硅 (SiC)。其性能与金刚石惊人地相似，使其成为现有的最坚硬、最坚固的先进陶瓷材料之一。碳化硅将这种强度与卓越的导热性和耐化学性相结合，使其成为最严苛环境下的首选材料。
陶瓷的“强度”并非单一数值，而是多种性能的平衡。“最坚固”的陶瓷取决于您的应用主要面临的挑战是磨损、载荷、冲击还是高温。
为什么陶瓷的“强度”是一个复杂的问题
在评估工程陶瓷时，“最坚固”一词可能会产生误导。工程师必须分析组件将面临的具体应力。在某个领域表现出色的材料可能在另一个领域不适用。
硬度和耐磨性
硬度是材料抵抗表面刮擦和磨损的能力。对于涉及高摩擦或与磨料颗粒接触的应用，这是最关键的强度形式。
碳化硅 (SiC) 在这一类别中处于领先地位。其极高的硬度仅次于金刚石等材料，使其成为必须承受持续磨损的泵密封件、喷嘴和轴承等部件的默认选择。
抗压强度和抗弯强度
这正是许多人所说的“强度”——承受巨大物理力的能力。抗压强度衡量抵抗被压碎的能力，而抗弯强度衡量抵抗弯曲的能力。
工程陶瓷作为一类材料，具有极高的抗压强度，远超金属。碳化硅在抗压和抗弯载荷下再次表现出卓越的性能，在其他材料会变形或断裂的情况下保持其完整性。
断裂韧性
断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力。这是陶瓷传统的“阿喀琉斯之踵”；它们通常是脆性的。
虽然碳化硅等陶瓷非常坚固，但预先存在的缺陷或剧烈冲击可能导致灾难性失效。其他陶瓷，如氧化锆，经过专门设计以具有更高的断裂韧性，牺牲了一些硬度以获得抗裂性。
不可避免的权衡：硬度与韧性
了解硬度和韧性之间的平衡对于成功的材料选择至关重要。选择错误的优化性能可能导致部件过早失效。
硬质材料的脆性
硬度和断裂韧性之间通常存在反比关系。具有极其坚硬原子键的材料（使其非常坚硬）没有吸收能量和阻止裂纹扩展的机制。
可以将其视为玻璃板和金属板之间的区别。玻璃非常坚硬且耐刮擦，但受到冲击时会破碎。金属较软，会凹陷，但不会破碎，因为它能够变形并吸收能量。
何时优先考虑韧性
如果您的部件可能会经历突然冲击、热冲击或尖角周围的高应力集中，那么优先考虑断裂韧性而非绝对硬度至关重要。
在这种情况下，氧化锆等材料可能比碳化硅是更好的选择，尽管它在传统意义上不如碳化硅坚硬或坚固。在具有不可预测应力的环境中，它更“耐用”。
为您的目标做出正确选择
要选择正确的材料，您必须将其主要性能与应用的主要挑战相匹配。
- 如果您的主要关注点是极高的硬度和耐磨性： 碳化硅是您的首选，因为它具有类金刚石的表面特性。
- 如果您的主要关注点是抵抗裂纹和冲击导致的灾难性失效： 您应该研究专门为高断裂韧性而设计的更坚韧的陶瓷，例如氧化锆。
- 如果您的主要关注点是高温下的强度和稳定性： 碳化硅是一个极佳的选择，因为它具有低热膨胀系数和高温下保持强度的能力。
理解这些关键区别是利用先进陶瓷巨大力量进行设计的关键。
总结表：
| 性能 | 碳化硅 (SiC) | 氧化锆 (ZrO₂) |
|---|---|---|
| 主要强度 | 极高的硬度和耐磨性 | 高断裂韧性 |
| 最适用于 | 磨损、高温、导热性 | 抗冲击性、防止灾难性失效 |
| 主要权衡 | 较低的断裂韧性（更脆） | 硬度低于碳化硅 |
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