陶瓷材料的強韌化方法概述

1、陶瓷材料的強韌化方法概述鑒于本人在研究生階段的研究方向與陶瓷材料有關(guān)，故本篇所選擇的主要內(nèi) 容為陶瓷材料的強韌化方法。與傳統(tǒng)材料相比陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異特性，但它也 存在脆性大、易斷裂的缺點，從而大大限制了陶瓷材料在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因 此改善陶瓷材料的脆性、增大強度、提高其在實際應(yīng)用中的可靠性成為其能否廣 泛應(yīng)用的關(guān)鍵。近年來，陶瓷材料的強韌化課題已經(jīng)受到國內(nèi)學(xué)者的高度重視。 目前已有的強韌化主要措施如下所述。1、氧化鋯相變增韌：當材料受到外力作用時，裂紋擴展到亞穩(wěn)的t-ZrO2粒 子，這會促發(fā)t-ZrO2粒子向m-ZrO2的相變，由此產(chǎn)生的相變應(yīng)力又會反作用于 裂紋尖端

2、，降低尖端的應(yīng)力集中程度，減緩或完全抑制了裂紋的擴展，從而提高 斷裂韌性；2、微裂紋增韌：由于溫度變化引起的熱膨脹差或相變引起的體積差會在陶 瓷基體相和分散相之間產(chǎn)生的彌散均布裂紋。當導(dǎo)致斷裂的主裂紋擴展時，這些 均勻分布的微裂紋會促使主裂紋分叉，使得其擴展路徑變得曲折，增加了擴展過 程的表面能，從而使裂紋快速擴展受到了阻礙，增加了材料的韌性；3、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：在發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)時，裂紋平面會在垂直于施加張應(yīng)力方 向上重新取向，這就意味著裂紋擴展路徑將被增長。同時，由于裂紋平面不再垂 直于張應(yīng)力方向而使得裂紋尖端的應(yīng)力降低，因而可以增大材料的韌性；4、裂紋彎曲增韌：在裂紋擴展過程中，如果遇到基體相

3、中存在的斷裂能更 大的第二相增強劑就會被其阻止，裂紋前沿如需繼續(xù)擴展便要越過第二障礙相而 形成裂紋彎曲。這也會使裂紋快速擴展受到了阻礙，從而增加材料的韌性；5、裂紋橋接增韌：所謂的裂紋橋接是指由增強元連接擴展裂紋的兩表面形 成裂紋閉合力而導(dǎo)致脆性基體材料增韌的方法。其增強元可分為兩種：一種為剛 性第二相，另一種則是韌性第二相；6、韌性相增韌：韌性相會在裂紋擴展中起到附加吸收能量的作用，這就使 得裂紋進一步擴展所需的能量遠遠超過形成新裂紋表面所需的凈熱力學(xué)表面能。 同時裂紋尖端高應(yīng)力區(qū)的屈服流動使應(yīng)力集中得以部分的消除，抑制了原先所能 達到的臨界狀態(tài)，相應(yīng)的提高了材料的抗斷裂能力；7、纖維、品須

4、增韌：纖維和晶須具有高彈性和高強度，當它作為第二相彌 散于陶瓷基體構(gòu)成復(fù)合材料時，纖維或晶須能為基體分擔大部分外加應(yīng)力而產(chǎn)生 強化。纖維和晶須的存在也使得裂紋擴展途徑出現(xiàn)彎曲從而使斷裂能增加。此外 在裂紋尖端附近由于應(yīng)力集中，纖維或晶須也可能從基體中拔出。拔出時以拔出 功的形式消耗部分能量，同時在尖端后部，部分未拔出或未斷裂的纖維或晶須則 起到了橋接的作用。而且在裂紋尖端，由于應(yīng)力集中可使基體和纖維或晶須發(fā)生脫粘。以上種種現(xiàn)象都能夠使材料的韌性得到提高；8、表面參與壓應(yīng)力增韌：由于陶瓷斷裂往往始于表面裂紋，而表面殘余壓 應(yīng)力則能有效的阻止表面裂紋的擴展，因此該種方法也能起到增韌的作用。在實際應(yīng)

5、用中，河南理工大學(xué)的張明等人從纖維（品須）增韌的機理出發(fā)， 對以SiCw為晶須增韌后的ZrO2陶瓷復(fù)合材料增韌進行了研究。在文中作者指 出SiCw/ ZrO2陶瓷復(fù)合材料的晶須增韌機理有兩種，即晶須的裂紋轉(zhuǎn)向機制和 拔出橋連機制。在實驗觀察中發(fā)現(xiàn)SiCw/ ZrO2陶瓷復(fù)合材料（Y2O3摩爾分數(shù)為8%）的斷裂 韌性隨品須含量的增加而提高，如下表所示。表中 Kd為裂紋偏轉(zhuǎn)對于斷裂韌 性貢獻量，而 Kb則為晶須橋聯(lián)對于斷裂韌性貢獻量， K*和 K則分別為復(fù) 合材料斷裂韌性的理論計算值和實際測量值。SiCw/ ZrO2陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性表SiCw體積分數(shù)（）預(yù)測值測量值 Kd Kb K* K03.43100.7950.624.644.264.58201.0471.025.254.515.25301.1921.385.775.645.92由于材料中不可避免的會出現(xiàn)一定的缺陷，因此其實際測量值必然會比預(yù)測 值低。從上表中可以看出，在添加品須后，材料斷裂韌性的理論值逐步提高，而 實際測量值也有顯著的上升。作者指出，雖然該實驗中材料的斷裂韌性受到晶須 的裂紋轉(zhuǎn)向和拔出橋連兩種不同機制的影響，但是以上兩種機制對增韌的貢獻均 隨晶須含量而增加。由此可見，纖維