
不同几何形态的陶瓷颗粒在受载时呈现出显著差异的应力分布模式,其内在机理与颗粒表面曲率、接触面积及几何对称性密切相关。
在球形陶瓷颗粒的受力分析中,其应力分布表现出高度的对称性。当外载荷垂直作用于颗粒表面时,大主应力沿受力方向呈轴对称分布,中心区域应力峰值显著高于周边区域。这种分布特征源于球形颗粒表面均匀的曲率半径,使得载荷能够通过连续的曲面进行有效传递。在径向方向上,应力梯度逐渐减小,至颗粒表面处应力趋于零。当外力方向偏离颗粒中心时,应力集中现象虽有所增强,但分布仍保持较好的均匀性,表明球形颗粒具有好的应力分散能力。
多面体形陶瓷颗粒的应力分布则呈现出明显的局部集中特征。在具有尖锐棱角和边线的六方晶系多面体中,应力大值出现在几何特征突变处,其峰值可达球形颗粒的几倍。这种应力集中效应源于多面体颗粒表面曲率的突变,导致载荷传递路径发生剧烈变化。在立方体形颗粒的顶角区域,应力梯度远超材料的屈服强度阈值,这可能导致微裂纹的萌生。此外,不同面数的多面体颗粒表现出差异化的应力响应,十二面体结构较八面体结构的应力集中系数降低,这与接触面数量增加导致的载荷分散效应密切相关。

片状陶瓷颗粒的应力分布则呈现显著的各向异性特征。在厚度方向,应力峰值出现在颗粒上下表面,其大主应力是沿片层方向的几倍,这与薄片结构的力学各向异性特性密切相关。当外力方向平行于片层表面时,应力沿层间方向均匀扩散,但垂直方向的应力梯度急剧增大。当片状颗粒的长径比超过5:1时,其临界屈服应力较球形颗粒下降25%左右,这归因于层状结构在厚度方向的力学弱化效应。在层间界面处观测到明显的应力滞后现象,大残余应力值达初始峰值的65%,这可能与层状结构的滑移变形机制相关。
球形颗粒的均匀应力分布特性使其在减少局部损伤方面具有优势,但可能限制其在高强度承载场景中的应用潜力。
多面体颗粒的应力集中效应虽会加速材料失效,但其几何特征对载荷的局部增强作用可提升烧结过程中的接触激活能。
片状颗粒的各向异性应力响应则使其在定向排列后可形成好的层间结合强度,但厚度方向的力学弱化需通过工艺优化进行补偿。
这些为陶瓷粉末的形状设计提供了重要依据,特别是在需要平衡强度、韧性及成型性能的复杂工况下,几何形态与力学响应的协同优化将成为关键研究方向。