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大揭秘！是什么原理，讓陶瓷材料如此的“韌性”？

2017-05-11 16:39:16 作者：本網整理來源：中國粉體網分享至：

眾所周知，陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高耐磨性、重量輕等優點，因此在工業領域中得到廣泛的應用。但是陶瓷材料有一個致命弱點！那就是太脆了！這限制了陶瓷優良性能的發揮，業限制了其實際的應用，因此陶瓷的增韌技術，一直是陶瓷行業研究的熱點。

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1、相變增韌

關于相變增韌的研究主要是圍繞ZrO2的相變特性展開的，是通過控制燒結工藝使內部的微觀組織產生增韌相，消耗裂紋擴展所需能量的同時造成相變體積膨脹促使其它裂紋閉合，是一種自增韌過程。以ZrO2和HfO2為例，隨溫度變化會發生以下同素異構轉變：

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相變增韌原理圖

在實際材料中究竟何種增韌機制起主導作用，在很大程度上取決于四方相向單斜相馬氏體相變的程度高低及相變在材料中發生的部位。至今為止，利用部分穩定氧化鋯的相變增韌是最為成功的增韌方法之一，但是由于許多脆性材料并不一定具備這種有利于增韌的相變，并且還受溫度的影響較大，所以這種增韌方法還不能得到普遍應用。

2、微裂紋增韌

單斜相ZrO2增韌Al2O3陶瓷和TiB2增韌SiC陶瓷是典型的微裂紋增韌，微裂紋的形成將起到分散裂紋尖端能量的作用，增加了擴展過程中的表面能，從而使裂紋快速擴展受到阻礙，增加材料韌性。這就是微裂紋增韌，其原理如圖所示。

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ZTA微裂紋模型

誘發微裂紋增韌主要有三種方法：1、完成燒結后，溫度降低過程中，自然產生；2、燒結溫度過高，晶粒異常長大，產生微裂紋；3、材料受到外界應力作用。然而微裂紋增韌只增加了陶瓷集體的韌性，而對其強度是有很大的影響的，因此實際操作中，應適當控制微裂紋的產生。

3、晶須或纖維增韌

在陶瓷基體中摻入高強度高韌性的晶須/纖維，可使宏觀裂紋在穿過晶須/纖維時受阻，從而提高陶瓷材料的強度和韌性。其增韌機理為：裂紋偏轉、陶瓷基體中晶須/纖維的拔出和橋連。

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ZrO2+SiCw復合材料晶須韌化機制的SEM

(a) 裂紋偏轉;(b)晶須橋接;(c)晶須橋接與拔出

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晶須增韌機制示意圖

晶須的強化作用和增韌作用主要是由晶須與基體形成的界面性質決定的。為了獲得較好的強化效果，要求界面結合力盡可能大。但如果界面結合力太強（完全粘結），則仍表現出陶瓷基體的脆性；結合力太弱，則強度降低。僅當結合力適當的時候，才能保證陶瓷基復合材料表現出良好的力學性能配合。因此，如何協調強化機制與韌化機制的關系，還需做大量的工作。

4、裂紋增韌

裂紋增韌可涵蓋多種復雜增韌補強機理，例如微裂紋、裂紋偏轉、裂紋彎曲、裂紋分岔、裂紋橋聯和裂紋釘扎等多種形式，增韌的根本原因是裂紋擴展的路徑呈現鋸齒狀，表面積增多，應力場的分布發生變化。而納米復合材料中微裂紋尺寸的減小是材料強度提高的另一個原因。

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裂紋偏轉和僑聯示意圖

復合材料中存在的微裂紋也會導致主裂紋在擴展過程中發生偏轉，增加復合材料的韌性，其原理如（圖3，5）所示；裂紋橋聯可能發生穿晶破壞，也有可能出現裂紋繞過橋聯單元沿晶發展及偏轉的情況，其原理如（圖5）所示。

5、顆粒增韌

這種增韌方式是通過第二相顆粒的彌散或者顆粒的移動，產生一定塑變、沿晶界面滑移帶來蠕變、形成裂紋尖端屏蔽、主裂紋周圍微開裂或裂紋橋，以及由于第二相與基體相熱膨脹系數及彈性模量的失配導致的殘余熱應力與擴散裂紋尖端應力交互作用，使得裂紋產生偏轉、分岔、橋聯或者釘扎等效果，達到阻止裂紋擴展、提高斷裂韌性的目的。

6、復合韌化

實際上，陶瓷材料中的增韌機制通常不止一種，而是以上幾種機制的疊加，即為協同韌化。如在含有ZrO2相變韌化的陶瓷材料中，上述幾種韌化機理常常相伴而生，即所謂復合韌化機理。這是由于任何陶瓷材料的晶粒尺寸都不是絕對均勻單一的，而是有一個尺寸分布范圍。對于晶粒尺寸分布在某一范圍的ZrO2粒子來說，不同尺寸的晶粒將有其不同的韌化作用。

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