陶瓷增韌是如何實(shí)現(xiàn)的

作為一種很“耐揍”的工程材料，結(jié)構(gòu)陶瓷由于具有很高的強(qiáng)度和硬度，優(yōu)良的耐熱性，低的熱傳導(dǎo)性與熱膨脹性以及很高的耐磨性、抗氧化能力，常常被用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)中的耐熱件，化工設(shè)備中的耐腐蝕件及密封件，切削刀具的刀片材料以及航天飛機(jī)的外殼陶瓷材料等。
不過(guò)陶瓷材料都是由離子鍵或共價(jià)鍵組成的多晶體結(jié)構(gòu)材料，鍵強(qiáng)高、鍵能大，內(nèi)部缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng)，難以發(fā)生彈性形變和塑性形變，再加上制備過(guò)程中陶瓷材料表面和內(nèi)部不可避免的存在缺陷，一旦受到外加載荷，它們都有可能構(gòu)成裂紋源，應(yīng)力就會(huì)在這些裂紋的尖端集中，從而裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致脆性斷裂。
因此在幾乎所有工程應(yīng)用中，斷裂韌性都是需要考慮的重要材料屬性，這樣才能使系統(tǒng)或部件在設(shè)計(jì)上能夠承受其使用壽命內(nèi)的預(yù)期沖擊。
1陶瓷的斷裂形式
裂紋的產(chǎn)生原因主要很大程度上取決于材料本身，尤其是其微觀結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)在陶瓷試樣上的裂紋在二維空間上有：沿晶斷裂、穿晶斷裂，在三維空間上有韌窩斷裂。

①穿晶斷裂
穿晶斷裂是裂紋在晶粒的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展。穿晶斷裂一般是韌性斷裂，當(dāng)其內(nèi)部積累了大量的位錯(cuò)時(shí)晶粒本身的強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋在晶粒的內(nèi)部產(chǎn)生。
②沿晶斷裂

沿晶斷裂發(fā)生時(shí)，其裂紋擴(kuò)展的路徑是沿著晶界的方向，這主要是由于晶界處有大量的脆性相或者是硬度較高的雜質(zhì)粒子，會(huì)在晶界處形成缺陷，使其強(qiáng)度下降從而形成裂紋，并沿著強(qiáng)度較低的方向進(jìn)行擴(kuò)展。如下圖所示它是完全脆性的斷裂。
③韌窩斷裂

韌窩是金屬塑性斷裂斷口顯微形貌的顯著特征，但在研究陶瓷的高溫?cái)嗫诘奈⒂^形貌中也發(fā)現(xiàn)了相似的韌窩結(jié)構(gòu)。它是按顯微孔洞聚合機(jī)理，在其受到載荷的作用下發(fā)生斷裂而形成的。當(dāng)材料發(fā)生韌性斷裂時(shí)先形成顯微撕裂或顯微孔洞，它們總是發(fā)生在連續(xù)變形受阻的地方，例如在受載物體的固溶體（基體）、晶界、亞晶界、位錯(cuò)堆積以及柱狀晶界面等地方。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，顯微孔洞長(zhǎng)大，同時(shí)連接部分拉長(zhǎng)，從而形成一個(gè)斷裂表面。斷口上的韌窩大小、數(shù)量等微觀花樣與形成速度和斷裂發(fā)展速度有關(guān)。通過(guò)韌窩深度及其表觀特征，可以估計(jì)在發(fā)生斷裂時(shí)，微觀組織局部的塑性變形程度。若形成蜂窩狀的細(xì)小韌窩，則說(shuō)明微觀塑性變形量不大。相反，側(cè)壁有折皺紋理的深韌窩，表明塑性變形起重要作用。
2陶瓷增韌的原理
目前主要有如下幾種陶瓷材料增韌方法：纖維補(bǔ)強(qiáng)；顆粒彌散增韌；自增韌；氧化鋯自增韌；納米陶瓷增韌；納米復(fù)合增韌。由于陶瓷的斷裂是由裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的，所以這些工藝的本質(zhì)就是阻止裂紋的擴(kuò)展，所用到的原理有：1）分散裂紋尖端應(yīng)力；2）消耗裂紋擴(kuò)展的能量，增大裂紋擴(kuò)展所需克服的能壘；3）轉(zhuǎn)換裂紋擴(kuò)展的能量。
①拉脫/橋接效應(yīng)——纖維、晶須增韌原理
下圖中，在緊靠裂紋尖端的晶體，由于變形而給裂紋表面加上了閉合應(yīng)力，抵消裂紋尖端的外應(yīng)力，鈍化裂紋擴(kuò)展，從而起到了增韌作用；此外，裂紋擴(kuò)展時(shí)，柱狀晶體的拔出時(shí)也要克服摩擦力，也會(huì)起到增韌的作用。

裂紋橋接示意圖

②裂紋彎曲轉(zhuǎn)向—顆粒、纖維晶須增韌、自增韌原理
下圖中，由于柱狀晶的存在，導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變和增加了裂紋擴(kuò)展的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴(kuò)展阻力。同上，裂紋擴(kuò)展時(shí)柱狀晶體也會(huì)與基體間有摩擦力的作用，消耗外加載荷的能量，有利于陶瓷材料斷裂韌性的改善。

裂紋偏轉(zhuǎn)示意圖

③相轉(zhuǎn)變?cè)鲰g
相變?cè)鲰g是通過(guò)熱處理等工藝使在其微觀組織內(nèi)部生出增韌相，Zr02的相變?cè)鲰g即為此類。將亞穩(wěn)的ZrO2顆粒引入到基體中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到該區(qū)域時(shí)，t-ZrO2受到裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用將會(huì)發(fā)生相變，進(jìn)而產(chǎn)生新的斷裂表面，還會(huì)在相變時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，這兩個(gè)過(guò)程都會(huì)吸收能量，所以，應(yīng)力導(dǎo)致的這種組織轉(zhuǎn)變會(huì)消耗外加應(yīng)力，起到增韌的作用。
另外，相轉(zhuǎn)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。
④殘余應(yīng)變能增韌
與相轉(zhuǎn)變的原理基本相似，在裂紋進(jìn)行擴(kuò)展之前，首先得克服陶瓷樣品本身的內(nèi)部殘余應(yīng)變能，從而達(dá)到增韌的目的。目前研究殘余應(yīng)力對(duì)材料斷裂韌性的影響方法是∶考慮殘余應(yīng)力與裂紋尖端作用引起的裂紋偏轉(zhuǎn)，通常采用無(wú)限大基體內(nèi)單個(gè)球形柱狀晶粒子模型。這種方法比較直觀，只能做定性分析。
⑤微裂紋增韌
在裂紋應(yīng)力尖端加入韌性材料，使其產(chǎn)生微裂紋，達(dá)到分散應(yīng)力的目的，減少裂紋前進(jìn)的動(dòng)力，從而增加材料的韌性。在材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，往往也會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生微裂紋。因此，相轉(zhuǎn)變?cè)鲰g的效果非常顯著。
⑥納米增韌
納米技術(shù)在改善傳統(tǒng)陶瓷材料性能上顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)，加入納米相復(fù)合后的陶瓷材料的室溫強(qiáng)度和韌性有顯著提高。其增韌強(qiáng)化機(jī)理目前主要有三種：
第一種是“細(xì)化理論”，認(rèn)為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長(zhǎng)大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性。
第二種是“穿晶理論”，認(rèn)為納米復(fù)合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部形成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。這樣便能減弱主晶界的作用，誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時(shí)產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性。
第三種是“釘扎”理論，認(rèn)為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，從面限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生，晶界的增強(qiáng)導(dǎo)致納米復(fù)相陶瓷韌性的提高。
3總結(jié)
在實(shí)際增韌過(guò)程中往往是由幾種增韌機(jī)理同時(shí)起作用，而不是某個(gè)單獨(dú)機(jī)理，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇具體的增韌機(jī)理。一般來(lái)說(shuō)，顆粒彌散增韌操作比較簡(jiǎn)單，但增韌效果不顯著；納米級(jí)顆粒引入陶瓷基體中取得了很好的增強(qiáng)增韌效果，但制備成本較高；相變?cè)鲰g效果顯著，但只能應(yīng)用于氧化鋯陶瓷中，其他材料無(wú)法采用——這就是為什么問(wèn)及斷裂韌性好的陶瓷材料有哪些時(shí)，大家會(huì)第一時(shí)間就會(huì)想到氧化鋯的原因之一。