中國粉體網(wǎng)訊  納米陶瓷是納米材料的一個分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能。

在陶瓷基體中引入納米分散相進行復(fù)合，能使材料的力學(xué)性能得到極大的改善。納米陶瓷的增韌有改善陶瓷的力學(xué)性能，提高陶瓷穩(wěn)定性等的作用。其主要增韌機理有以下幾種。

裂紋偏轉(zhuǎn)

裂紋偏轉(zhuǎn)增韌是裂紋非平面斷裂效應(yīng)的一種增韌方式。當納米顆粒與基體間存在熱膨脹系數(shù)差異時，殘余熱應(yīng)力會導(dǎo)致瓷體中的擴展裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得裂紋擴展路徑延長，有利于材料韌性的提高。

裂紋偏轉(zhuǎn)方向與納米顆粒和基體間熱膨脹系數(shù)的相對大小有關(guān)。當基體的熱膨脹系數(shù)較大時，裂紋向納米顆粒擴展，如果納米顆粒本身及其與基體間的結(jié)合強度足夠大，納米顆粒此時甚至可以對裂紋起到釘扎的作用；當基體的熱膨脹系數(shù)較小時，擴展裂紋趨向于沿切向繞過納米顆粒。

裂紋擴展到達晶須時，被迫沿晶須偏轉(zhuǎn)，這意味著裂紋的前行路徑更長，裂紋尖端的應(yīng)力強度減少，裂紋偏轉(zhuǎn)的角度越大，能量釋放效率就越低，增韌效果就越好，斷裂韌性就提高。如圖a、b所示。圖b表示：①裂紋和晶須相遇；②裂紋彎曲向前③在晶須前面相接④形成新的裂紋前沿并留下裂紋。

裂紋橋聯(lián)

裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尖端尾部效應(yīng)，是發(fā)生在裂紋尖端后方由補強劑連接裂紋的兩個表面并提供一個使兩個裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力，這樣導(dǎo)致應(yīng)力強度因子隨裂紋擴展而增加。即裂紋繞過擴展過程中遇上晶須時，裂紋有可能發(fā)生穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象，即裂紋繞過晶須并形成摩擦橋。

在晶須復(fù)合陶瓷基材料和粗晶Al2O3陶瓷及Si3N4中，由于晶須、Al2O3粗顆粒對裂紋表面的橋連作用，使材料表現(xiàn)出強烈的R-曲線效應(yīng)，由此導(dǎo)致材料韌性的顯著改善。在納米陶瓷中，由于納米顆粒尺寸很小，納米顆粒對于裂紋的橋聯(lián)作用只能發(fā)生在裂紋尖端的局部小區(qū)域。此時納米顆粒雖然不能明顯提高R-曲線上的韌性平臺值，但卻可以使R-曲線在短的裂紋擴展上出現(xiàn)陡然上升情況。由于R-曲線上某點處切線的斜率代表材料此時的強度，納米復(fù)相陶瓷R-曲線在短裂紋擴展上長度上的陡然上升可以使其強度得到明顯提高。

在脆性陶瓷基體中加入延性粒子能夠明顯提高材料的斷裂韌性。一般情況下，延性粒子指的是金屬粒子。金屬粒子的彈性應(yīng)變使裂紋橋聯(lián)成為金屬陶瓷中最有效的增韌機制。當裂紋擴展到陶瓷/金屬界面時，由于延性金屬顆粒和脆性基體的變形能力不同，引起裂紋局部鈍化，某些裂紋段被迫穿過粒子，而形成被拉長的金屬顆粒聯(lián)橋。

拔出效應(yīng)是指當裂紋擴展遇到高強度晶須時，在裂紋尖端附近晶須與基體界面上存在較大的剪切應(yīng)力，該應(yīng)力極易造成晶須與界面的分離開裂，晶須可以從基體中拔出，因界面摩擦而消耗外界載荷的能量而達到增韌的目的。

同時晶須從基體中拔出會產(chǎn)生微裂紋來吸收更多的能量。當晶須取向與裂紋表面呈較大角度時，由基體轉(zhuǎn)向晶須的力在二者界面上產(chǎn)生的剪切力達到了基體的剪切屈服強度，但未達到晶須的剪切曲度強度時，晶須不會被剪斷而會從基體中被拔出。使用長徑比高的晶須增韌聚合物基復(fù)合材料，晶須對增韌主要貢獻就是來源于裂紋擴展過程中晶須拔出所消耗的能量。

當晶須與基質(zhì)的界面剪切應(yīng)力很低，而晶須的長度較大（＞100μm），強度較高時，拔出效應(yīng)顯著。隨著界面剪切應(yīng)力增大，界面摩擦力大，拔出效應(yīng)降低，當界面剪切應(yīng)力足夠大時，作用在晶須上的剪切強度可能引起晶須斷裂而無拔出效應(yīng)。

納米顆粒增韌機理

日本研究人員把納米顆粒增韌的機理歸納為：①組織的細微化作用。抑制晶粒成長和減輕異常晶粒的成長；②殘余應(yīng)力的產(chǎn)生使晶粒內(nèi)破壞成為主要形式；③控制彈性模量E和熱膨脹系數(shù)α等來改善強度和韌性等；④晶內(nèi)納米粒子使基體顆粒內(nèi)部形成次界面，并同晶界納米相一樣具有釘扎位錯的作用。

研究人員用氧化鋁和碳化硅超細粉合成的高強度納米復(fù)相陶瓷在1100℃時強度超過1500Mpa，并認為獲得超強度、超韌性結(jié)構(gòu)陶瓷的主要方法是采用微米和納米混雜的復(fù)合技術(shù)。