
不同幾何形態的陶瓷顆粒在受載時呈現出顯著差異的應力分布模式,其內在機理與顆粒表面曲率、接觸面積及幾何對稱性密切相關。
在球形陶瓷顆粒的受力分析中,其應力分布表現出高度的對稱性。當外載荷垂直作用于顆粒表面時,大主應力沿受力方向呈軸對稱分布,中心區域應力峰值顯著高于周邊區域。這種分布特征源于球形顆粒表面均勻的曲率半徑,使得載荷能夠通過連續的曲面進行有效傳遞。在徑向方向上,應力梯度逐漸減小,至顆粒表面處應力趨于零。當外力方向偏離顆粒中心時,應力集中現象雖有所增強,但分布仍保持較好的均勻性,表明球形顆粒具有好的應力分散能力。
多面體形陶瓷顆粒的應力分布則呈現出明顯的局部集中特征。在具有尖銳棱角和邊線的六方晶系多面體中,應力大值出現在幾何特征突變處,其峰值可達球形顆粒的幾倍。這種應力集中效應源于多面體顆粒表面曲率的突變,導致載荷傳遞路徑發生劇烈變化。在立方體形顆粒的頂角區域,應力梯度遠超材料的屈服強度閾值,這可能導致微裂紋的萌生。此外,不同面數的多面體顆粒表現出差異化的應力響應,十二面體結構較八面體結構的應力集中系數降低,這與接觸面數量增加導致的載荷分散效應密切相關。

片狀陶瓷顆粒的應力分布則呈現顯著的各向異性特征。在厚度方向,應力峰值出現在顆粒上下表面,其大主應力是沿片層方向的幾倍,這與薄片結構的力學各向異性特性密切相關。當外力方向平行于片層表面時,應力沿層間方向均勻擴散,但垂直方向的應力梯度急劇增大。當片狀顆粒的長徑比超過5:1時,其臨界屈服應力較球形顆粒下降25%左右,這歸因于層狀結構在厚度方向的力學弱化效應。在層間界面處觀測到明顯的應力滯后現象,大殘余應力值達初始峰值的65%,這可能與層狀結構的滑移變形機制相關。
球形顆粒的均勻應力分布特性使其在減少局部損傷方面具有優勢,但可能限制其在高強度承載場景中的應用潛力。
多面體顆粒的應力集中效應雖會加速材料失效,但其幾何特征對載荷的局部增強作用可提升燒結過程中的接觸激活能。
片狀顆粒的各向異性應力響應則使其在定向排列后可形成好的層間結合強度,但厚度方向的力學弱化需通過工藝優化進行補償。
這些為陶瓷粉末的形狀設計提供了重要依據,特別是在需要平衡強度、韌性及成型性能的復雜工況下,幾何形態與力學響應的協同優化將成為關鍵研究方向。