碳化硅要認(rèn)輸？

為了改善陶瓷材料的脆性，多年來許多研究者提出多種增韌補(bǔ)強(qiáng)方法和先進(jìn)的工藝技術(shù)，通過在陶瓷材料中添加增強(qiáng)相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、(W，Ti)C、WC、ZrO2、Y2O3等成分，利用第二相、第三相材料進(jìn)行顆粒彌散強(qiáng)化、纖維補(bǔ)強(qiáng)、晶須增韌、相變?cè)鲰g或協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)，可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。

目前較為有效的途徑是利用SiC晶須增強(qiáng)和利用ZrO2相變?cè)鲰g，至今為止，利用部分穩(wěn)定氧化鋯的相變?cè)鲰g是最為成功的增韌方法之一，相對(duì)來說ZrO2相變?cè)鲰g效果要好一些。

但是，碳化硅會(huì)服輸嗎?

首先，但是由于許多脆性材料并不一定具備有利于增韌的相變，并且還受溫度的影響較大，所以這種ZrO2增韌方法還需要進(jìn)一步研究。

最重要的一點(diǎn)，ZrO2在增韌氧化鋁等氧化物陶瓷方面效果顯著，但在增韌SiC、Si3N4等非氧化物陶瓷方面進(jìn)展緩慢，難以發(fā)揮氧化鋯相變?cè)鲰g的作用。

反觀SiC晶須，ZrO2陶瓷由于在高溫下相變?cè)鲰g機(jī)制失效，使得其高溫力學(xué)性能嚴(yán)重惡化。SiCw的加入可以提高其彈性模量、硬度、高溫強(qiáng)度和韌性，從而拓展其應(yīng)用范圍。目前SiCw增韌的ZrO2陶瓷可應(yīng)用于1350℃以上使用的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子、渦輪定葉片、各種陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)部件、陶瓷工具、拔絲模具、軸承等。其實(shí)SiC晶須增韌氧化鋯陶瓷也有局限性，主要原因是這兩者的膨脹系數(shù)并不匹配。

那么，這兩種增韌材料是如何改變陶瓷韌性的呢？

SiC晶須增韌

目前為止，SiC對(duì)陶瓷材料的增韌分為3類，顆粒(SiCp)、晶須(SiCw)和晶片(SiCpl)。

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1、SiCp增韌陶瓷材料

SiCp的增韌機(jī)理主要是在復(fù)合材料內(nèi)部形成了內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)。內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)納米復(fù)合陶瓷晶粒細(xì)化同時(shí)產(chǎn)生了次晶界，致使晶界數(shù)量大幅度增加，材料的強(qiáng)度和韌性也大幅提高某些陶瓷甚至還表現(xiàn)出了超韌性。

2、SiCw增韌陶瓷材料

SiCw對(duì)復(fù)合材料的增韌機(jī)理一般有3種：裂紋橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)和拔出效應(yīng)。晶須橋連是指晶須受外載的作用，在斷開的裂紋面之間橋連，橋連的晶須在基體中生使裂紋閉合的應(yīng)力而消耗外界所做的功。裂紋偏轉(zhuǎn)是指當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量比基體大的晶須時(shí)，偏離原來的方向，沿兩相界面或在基體內(nèi)擴(kuò)展，這種非平面斷裂比平面斷裂有更大的斷裂表面，因而能吸收更多的能量，從而可提高材料的斷裂韌性。晶須的拔出是指在外載作用下，晶須從基體中拔出，因界面摩擦而消耗外界載荷的能量，從而達(dá)到增韌的目的。

3、SiSiCpl增韌陶瓷材料

SiCpl具有增韌效果好、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，使得陶瓷材料的維氏硬度、彈性系數(shù)、斷裂韌性和高溫強(qiáng)度都有很大的提高，目前得到了眾多研究者的關(guān)注。

4、復(fù)合增韌陶瓷材料

復(fù)合增韌陶瓷材料是指利用SiCp、SiCw、SiCpl其中的2種或3種所制備的復(fù)合陶瓷材料。在這種材料中，SiCw、SiCpl起到拔出、橋連作用，SiCp用來細(xì)化晶粒，并起裂紋轉(zhuǎn)向、分岔作用。同時(shí)，由于SiCp部分取代SiCw，使SiCw含量減少，給均勻混料、燒結(jié)致密化帶來好處。

隨著納米材料制備技術(shù)的日趨完善，陶瓷復(fù)合材料的研究正從微米復(fù)合向納米復(fù)合方向發(fā)展，納米SiCw，復(fù)合材料成為SiC增韌陶瓷基復(fù)合材料研究的一個(gè)新領(lǐng)域。由于復(fù)合增韌陶瓷材料具有優(yōu)異的性能。因此，該種復(fù)合材料將是SiC增韌陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)方向。

ZrO2增韌

ZrO2增韌機(jī)制有許多種：應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鐾�、相變誘發(fā)微裂紋增韌、表面誘發(fā)強(qiáng)韌化和微裂紋分岔增韌等。在實(shí)際材料中究竟何種機(jī)制起仁導(dǎo)作用，在很大程度上取決于t一ZrO2向m一ZrO2馬氏體相變程度的高低及相變?cè)诹现邪l(fā)生的部位

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1、相變?cè)鲰g

亞穩(wěn)定四方相t-ZrO2在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對(duì)裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g機(jī)理。另外，相變?cè)鲰g也是可以應(yīng)用于功能陶瓷的。如：鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變?cè)鲰g機(jī)制，在壓電陶瓷材料中，利用使產(chǎn)生裂紋的外應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，從而達(dá)到增韌的目的。

2、微裂紋增韌

t→m相變伴隨體積膨脹，使得相變區(qū)域形成很多微裂紋。當(dāng)主裂紋在擴(kuò)展過程中遇到微裂紋，主裂紋的擴(kuò)展路徑將改變方向或分叉。此外，主裂紋尖端除由于應(yīng)力集中而誘發(fā)相變，產(chǎn)生微裂紋，起到分散主裂紋尖端能量的作用，從而提高材料的斷裂韌性。當(dāng)微裂紋相互獨(dú)立時(shí)，微裂紋密度越高，增韌效果越好。

3、殘余應(yīng)力增韌

陶瓷材料可以通過引入殘余壓應(yīng)力達(dá)到增強(qiáng)韌化的目的�？刂坪瑥浬⑺姆较嗟腪rO2顆粒的陶瓷在表層發(fā)生四方相向單斜相的相變，引起表面體積膨脹而獲得表面殘余壓應(yīng)力。由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋，表面殘余壓應(yīng)力有利于阻止表面裂紋的擴(kuò)展，從而起到增強(qiáng)增韌的效果。尺寸較小的ｔ相粒子相變時(shí)，總膨脹應(yīng)變小，應(yīng)變能也小，不足以使基體產(chǎn)生微裂紋，那么這些應(yīng)變能就以殘余應(yīng)力的形式儲(chǔ)存下來。當(dāng)主裂紋擴(kuò)展進(jìn)入殘余應(yīng)力區(qū)時(shí)，殘余應(yīng)力釋放，阻礙主裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，這種韌化機(jī)制被稱為殘余應(yīng)力增韌機(jī)制。

參考資料：

[1]夏傲.氧化鋯增韌陶瓷材料的結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)用

[2]李紹純.碳化硅顆粒、晶須、晶片增韌陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

[3]王秋紅.碳化硅晶須的制備及其在復(fù)合材料增韌中的應(yīng)用

[4]黃康明.陶瓷增韌技術(shù)的研究進(jìn)展

[5]鄔國平.流體密封用碳化硅陶瓷增韌技術(shù)研究進(jìn)展

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