陶瓷材料的強(qiáng)韌化方法概述

1、陶瓷材料的強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，從而大大限制了陶瓷材料在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因 此改善陶瓷材料的脆性、增大強(qiáng)度、提高其在實(shí)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(qiáng)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(qiáng)韌化主要措施如下所述。1、氧化鋯相變增韌：當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展到亞穩(wěn)的t-ZrO2粒 子，這會(huì)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(huì)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(kuò)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(huì)在陶 瓷基體相和分散相之間產(chǎn)生的彌散均布裂紋。當(dāng)導(dǎo)致斷裂的主裂紋擴(kuò)展時(shí)，這些 均勻分布的微裂紋會(huì)促使主裂紋分叉，使得其擴(kuò)展路徑變得曲折，增加了擴(kuò)展過 程的表面能，從而使裂紋快速擴(kuò)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(shí)，裂紋平面會(huì)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(kuò)展路徑將被增長。同時(shí)，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(kuò)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(qiáng)劑就會(huì)被其阻止，裂紋前沿如需繼續(xù)擴(kuò)展便要越過第二障礙相而 形成裂紋彎曲。這也會(huì)使裂紋快速擴(kuò)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(qiáng)元連接擴(kuò)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(qiáng)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(huì)在裂紋擴(kuò)展中起到附加吸收能量的作用，這就使 得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過形成新裂紋表面所需的凈熱力學(xué)表面能。 同時(shí)裂紋尖端高應(yīng)力區(qū)的屈服流動(dòng)使應(yīng)力集中得以部分的消除，抑制了原先所能 達(dá)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(qiáng)度，當(dāng)它作為第二相彌 散于陶瓷基體構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)，纖維或晶須能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力而產(chǎn)生 強(qiáng)化。纖維和晶須的存在也使得裂紋擴(kuò)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(shí)以拔出 功的形式消耗部分能量，同時(shí)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(kuò)展，因此該種方法也能起到增韌的作用。在實(shí)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(jī)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(jìn)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(jī)理有兩種，即晶須的裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制和 拔出橋連機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)觀察中發(fā)現(xiàn)SiCw/ ZrO2陶瓷復(fù)合材料（Y2O3摩爾分?jǐn)?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(xiàn)量，而 Kb則為晶須橋聯(lián)對于斷裂韌性貢獻(xiàn)量， K*和 K則分別為復(fù) 合材料斷裂韌性的理論計(jì)算值和實(shí)際測量值。SiCw/ ZrO2陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性表SiCw體積分?jǐn)?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(huì)出現(xiàn)一定的缺陷，因此其實(shí)際測量值必然會(huì)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(shí)際測量值也有顯著的上升。作者指出，雖然該實(shí)驗(yàn)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(jī)制的影響，但是以上兩種機(jī)制對增韌的貢獻(xiàn)均 隨晶須含量而增加。由此可見，纖維