中國粉體網(wǎng)訊  先進陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨損和較低的密度、熱膨脹低等優(yōu)異的性能，已在航天航空、能源、機械、汽車、化工、冶金等領(lǐng)域中將其置于重要地位。

對傳統(tǒng)陶瓷而言，如果說它的脆性還能彰顯一種“脆性美”，顯得與眾不同，那對先進陶瓷而言，這一屬性就像木桶的“短板”一樣，導(dǎo)致其使用可靠性和抗破壞性較差，從而制約了結(jié)構(gòu)陶瓷在工程上的更廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進程。

陶瓷的脆性是怎么來的

陶瓷材料的脆性主要來自其結(jié)構(gòu)和鍵性的特點，這是一種缺乏滑移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部位錯的產(chǎn)生和運動困難，材料的變形受到限制，塑性變形極難產(chǎn)生。在較大載荷的作用下加工過程在材料表面形成的微缺陷會快速擴展形成脆性斷裂。對陶瓷材料脆性以及增韌補強的研究是陶瓷材料應(yīng)用的前提，也是當前研究的主流方向。

雖然陶瓷的脆性是由物質(zhì)結(jié)構(gòu)本質(zhì)決定的，但是根據(jù)陶瓷材料的裂紋擴展行為及其斷裂機理認為，借助于對裂紋擴展條件的控制，可在一定程度上提高陶瓷韌性。下面我們就來了解一下幾種陶瓷增韌技術(shù)。

陶瓷增韌技術(shù)

1、自增韌

改變陶瓷材料的燒結(jié)工藝或者引入納米添加物，可使基體晶粒異相生長成棒狀晶粒，這些棒狀晶粒能夠產(chǎn)生類似纖維的增韌效果。

目前，自增韌陶瓷主要有Si3N4、Sialon、Al2Zr2C、Ti2B2C、SiC、Al2O3等。最典型的原位增韌陶瓷材料是原位增韌的Si3N4陶瓷，氮化硅晶體具有生長各向異性，在高溫時，其α相能夠向β相轉(zhuǎn)變，β-Si3N4晶體會繼續(xù)長大，使其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，可通過合理的成分設(shè)計和最佳的工藝條件，控制晶粒的形核和生長來獲得一定尺寸和長徑比的β-Si3N4棒晶，從而達到提高斷裂韌性的目的。

2、纖維補強

將纖維加入到陶瓷的基體中去，高強度纖維的存在一方面可以分擔部分外加負荷，另一方面也可以在纖維與陶瓷基體之間形成弱結(jié)合界面，這些弱界面的破壞可以吸收一部分外加負荷，增加材料斷裂難度，從而加強陶瓷材料的強韌度。纖維對陶瓷材料的增韌效果主要表現(xiàn)在材料內(nèi)部纖維拔出，纖維橋接，裂紋偏轉(zhuǎn)和微裂紋的產(chǎn)生。

3、顆粒彌散增韌

顆粒彌散增韌主要是指在陶瓷基體中加入硬度較高的顆粒，彌散顆粒的存在能夠阻礙材料被拉伸時在與拉伸方向垂直截面上的收縮，材料進一步的變形需要增加拉應(yīng)力，增加了材料的斷裂難度，這對陶瓷材料具有增韌效果。此外，彌散顆粒也能夠?qū)α鸭y產(chǎn)生釘扎作用和偏轉(zhuǎn)效應(yīng)。顆粒彌散增韌陶瓷材料因其工藝的簡單易控制和較大的增韌有效性溫度區(qū)間，能夠作為一種高溫增韌方式。目前對如下顆粒彌散增韌陶瓷材料有較多研究：SiCp/Al2O3、ZrO2p/Al2O3、(ZrO2p+SiCp)/Al2O3、ZrO2p/Si3N4、TiCp/Al2O3等，但增韌幅度都不大。

4、氧化鋯相變增韌

應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌和微裂紋增韌是氧化鋯相變增韌的主要實現(xiàn)方式，目前對應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的研究較多，氧化鋯相變增韌的實現(xiàn)可以通過在材料基體中添加穩(wěn)定劑并進行一定的熱處理以使四方氧化鋯能夠以不穩(wěn)定狀態(tài)存在，這種狀態(tài)下的氧化鋯晶粒會在裂紋尖端應(yīng)力存在的情況下發(fā)生t－m相變。除相變過程中材料內(nèi)部產(chǎn)生的新斷裂表面能夠吸收能量外，伴隨相變過程發(fā)生的材料體積膨脹也能夠吸收能量。

至今為止，利用部分穩(wěn)定氧化鋯相變增韌是最為成功的方法之一。

5、納米陶瓷增韌

納米陶瓷材料是指將所制備的納米尺度原材料通過特殊的合成工藝合成的具有納米相的陶瓷材料。實驗證實，加工到納米尺度的物質(zhì)相比于常態(tài)下的物質(zhì)會表現(xiàn)出一些特異效應(yīng)，主要包括小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，其中小尺寸效應(yīng)在改善材料性能方面處于主導(dǎo)地位，而納米顆粒表現(xiàn)出的高化學(xué)活性來自使納米晶粒表面積、表面能及表面結(jié)合能迅速增大的表面效應(yīng)。研究表明，納米陶瓷材料在改善陶瓷材料硬度和強度方面具有巨大的優(yōu)越性。

6、納米復(fù)合增韌

基于對納米陶瓷材料的認識，并通過借鑒多元復(fù)相陶瓷材料的增韌機理，納米復(fù)合陶瓷材料的研究引起廣泛關(guān)注并取得了許多進展，通過納米改性，陶瓷的硬度、強度和斷裂韌性都有很大改善。納米復(fù)合陶瓷增韌機理主要有以下3個方面：

（1）納米彌散相能夠抑制基體晶粒的生長，減輕晶粒的異常長大，這對于均勻細晶粒結(jié)構(gòu)的形成和大晶粒缺陷數(shù)量的減少是很有利的，能夠在很大程度上提高材料的力學(xué)性能。

（2）陶瓷材料內(nèi)部晶內(nèi)/晶間混合型結(jié)構(gòu)的存在在基體晶粒內(nèi)形成殘余應(yīng)力，該應(yīng)力一方面可以強化晶界，另一方面也弱化晶粒，這導(dǎo)致了材料斷裂模式從沿晶斷裂到穿晶斷裂的轉(zhuǎn)變，而穿晶斷裂所形成的非平面裂紋能夠吸收更多的能量。

（3）納米粉顆粒的表面效應(yīng)使其具有較高的表面活性。這一特點使納米粉與基體粉之間很容易結(jié)合，燒結(jié)時很容易致密化，而且使燒結(jié)溫度降低，從而提高了復(fù)合粉體的燒結(jié)活性，降低了燒結(jié)溫度，并提高了材料的力學(xué)性能。

7、其他方法

除上述方法外，陶瓷材料燒結(jié)致密后的加工和退火處理對材料力學(xué)性能也有較大影響，所以后處理對高性能納米復(fù)合陶瓷刀具材料力學(xué)性能的影響也是不容忽視的。另外有研究表明，各種增韌機理能夠產(chǎn)生協(xié)同作用，但這種協(xié)同作用并非適用于任意的幾個增韌機理疊加，而且這種協(xié)同增韌在效果上也不是簡單的累加。

參考來源：

[1]賈孝偉等.陶瓷材料增韌補強方法的研究

[2]王瑞鳳等.陶瓷材料增韌機理的研究進展

[3]鄒東利.陶瓷材料增韌技術(shù)及其韌化機理

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