硬質陶瓷涂層一般硬度高，但韌性差，在受到較大外加沖擊荷載作用時容易產生裂紋并引發失效，從而限制了硬質涂層在工程領域的應用。硬質涂層的增韌研究是當前硬質涂層研究的熱點之一。常見硬質涂層增韌方法中，有些是以降低硬度為代價來提高涂層韌性，比如第二相增韌；有些是通過優化涂層結構設計，減小缺陷尺寸，在不損失涂層高硬度的前提下，提高韌性，獲得兼具高硬度和高韌性的涂層；有些是通過相變（晶體結構轉變）提高涂層的韌性。通過優化涂層結構設計，改變涂層晶粒尺寸、晶界尺寸與復雜程度等，使涂層致密化，從而提高涂層硬度與韌性，從而獲得增韌效果，成為研究者越來越關注的焦點。單一增韌方法的局限性，可以通過多種增韌方法協同作用獲得突破，協同增韌已成為硬質涂層增韌發展的趨勢。目前硬質涂層的韌性評估還沒有一個公認的方法，從簡單實用出發，常用的有微懸臂梁彎曲法、劃痕法和壓痕法。

    引言

    陶瓷涂層應用于不同工程領域，比如機械零部件表面鍍一層陶瓷涂層，可以有效提高零部件壽命。但是，陶瓷涂層的較低韌性限制了其廣泛使用。典型例子如具有高硬度（H>20 GPa）和超高硬度（H>40 GPa）的陶瓷涂層，在受到外加沖擊荷載作用時會突然失效。為了解決此類問題，很多研究工作已經展開，分析硬質涂層在外加荷載作用下裂紋起源與擴展，探索不同的的增韌方法。文中主要綜述了近年來采用物理氣相沉積制備的硬質涂層的增韌方法，并在此基礎上對該領域的發展趨勢做了展望。

    韌性

    韌性是指材料在變形直至斷裂過程中吸收能量的能力。如果斷裂是瞬間發生（基本沒有塑性變形），表明材料是脆性的，或者說韌性較差。如果斷裂過程中有較大塑性變形且在斷裂前伴有應力的穩定下降，則說明材料具有良好的延展性，換句話說韌性較好。硬質涂層韌性測量方法可概括為彎曲或屈曲、壓痕或劃痕等，目前還沒有一個公認的測試標準。由于受涂層材料二維尺度限制，涂層材料韌性的測量很難像宏觀塊體材料韌性測量那樣，通過在塊體材料中預先引入微裂紋，然后彎折，進行半定量或定量評估韌性。需要指出的是，隨著加工技術的發展，科研者也在嘗試克服較難在涂層中引入預裂紋的問題，比如微懸臂梁定量測試韌性的方法]。

    1硬質陶瓷涂層的增韌

    韌性是指材料在斷裂過程中吸收能量的能力，所吸收的能量包括促使裂紋形成的能量和使裂紋擴展直到斷裂所需的能量。如果裂紋形成和擴展受阻，那么材料的韌性就可以得到提高。在塊體陶瓷材料領域，增韌方法有：延性相增韌，纖維和晶須增韌，相變增韌，微裂紋增韌等，其增韌機理已相對成熟。而涂層陶瓷材料由于尺寸效應，增韌機理是從宏觀塊體材料的增韌機理發展而來，但又不同于塊體材料的增韌機理。目前實現硬質涂層增韌的途徑有：①引入第二相，主要是金屬延性相；②利用相變；③引入壓應力； ④優化涂層結構。

    第二相塑性變形增韌原理圖

    2硬質陶瓷涂層韌性的評估

    在研究硬質涂層增韌機理、評估增韌效果時，一個簡單有效的評估方法是必須的。與宏觀塊體材料的韌性測量不同，由于涂層二維尺度限制，涂層薄膜材料的韌性評估，至今沒有一個被普遍接受的標準。不同研究人員建議的不同測試方法在以往的文獻綜述中都有整理總結[。文中簡要介紹其中3種，需要注意的是微懸臂梁彎曲測試技術，被越來越多研究者所關注。

    不同涂層的劃痕形貌

    3總結和展望

    韌性是材料在變形直至斷裂過程中吸收能量的能力，吸收能量越多，表明該材料的韌性越好。在材料應力-應變曲線圖上，位于曲線下方的面積代表了材料吸收能量的大小。從而，任何有利于該面積增加的方法，均能夠提高材料的韌性。

    方法

    第二相增韌中延性相增韌是一種有效的增韌手段，但該方法常導致涂層硬度降低。目前很多研究者致力于涂層延性相增韌，期望通過多元、多相納米復合顯微結構設計突破延性相增韌的局限性。仿生涂層的出現從增韌組元選擇、微觀結構設計等方面為涂層增韌研究提供了一個新思路，從而有效提高涂層的硬度和韌性。涂層增韌研究中的另外一個熱點是改變涂層微觀結構增韌，即通過改變涂層組織中晶粒尺寸大小與分布、晶界尺寸與復雜程度等，使涂層致密化，從而提高涂層硬度與韌性，該方法的局限性在于晶粒尺寸并不是越小越好，控制晶粒成為關鍵。多層膜增韌發展空間較大，未來發展會更加多元化，可以通過調整組成成分，多層膜調制周期，晶粒尺寸大小等，并協同其它增韌方法，從而有效提高涂層硬度和韌性。相變增韌近年來也受到關注，但僅集中在ZrO2和AlN為增韌相，這也限制了相變增韌的發展。

    涂層強化和韌化的研究越來越多，單一增韌方法的局限性越來越顯著，硬質涂層增韌中多種增韌方法的協同作用越來越重要，例如相變增韌和多層膜增韌的協同，涂層致密化增韌和壓應力增韌的協同等，都能在硬度損失較小的前提下提高涂層韌性。

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責任編輯：王元

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