陶瓷基材料的强韧化

归功于陶瓷的共价键或离子键结构，使得陶瓷基材料具有高硬度、高熔点和高化学稳定性等优良性能[1]，从而使得陶瓷基材料在化工、军工和航天航空等行业得到广泛运用。不过，陶瓷基材料最大致命缺陷在于脆性较大，也就制约其在更多领域的应用。而造成陶瓷基材料的脆性，主要归因三个因素（图1）：

1）陶瓷基材料的化学结合键构成的晶体结构，导致了其滑移系统少，以致于难以产生塑性变形来应对外应力；
2）在显微结构层面，其存在很多裂纹，在外应力作用下，裂纹会发生扩展导致脆性破坏；
3）陶瓷基材料除了形成新的表面，缺乏其它吸收和消耗外来能量的机制[2]。

图1.陶瓷脆性的根源 ©张伟强

普通陶瓷基材料的脆性，激发了科研者对其增韧补强的研究，由此催生出了强韧化的先进陶瓷材料。根据材料断裂力学理论，先进陶瓷材料的强韧化主要归于两个方面[3]：

1）陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力的提高；
2）裂纹尖端的应力集中效应的减缓。因此，相对于普通陶瓷材料，面对外界负载/能量作用时，强韧化的先进陶瓷材料展现了很能 “抗打”的一面（图2）；即，强韧化的先进陶瓷材料能够有效耗散能量，阻止裂纹扩展。

图2.在外界负载/能量作用下，普通陶瓷和强韧化陶瓷的不同表现 ©张伟强

目前来看，陶瓷的强韧化手段主要是引入纤维/晶须、颗粒和氧化锆（ZrO2）等第二组份增韧补强和自我增韧补强（图3）。这些能使陶瓷强韧化手段，其作用目的：都是耗散掉裂纹扩展过程中的能量；或者第二组份颗粒与陶瓷基体的热膨胀系数不匹配，导致了材料体内存在残余热应力,从而阻止裂纹扩展[4]。

图3.陶瓷的强韧化方法 ©张伟强

在陶瓷的基体中，加入纤维/晶须时，主要有两大功能以实现对陶瓷脆性的改善[5]：（1）外加的负荷能够被高强度的纤维/晶须所分担；（2）纤维/晶须与陶瓷基体形成的合适的界面构成了吸收外来能量的系统。而纤维/晶须对陶瓷强韧化的机理主要包括了纤维/晶须与陶瓷基体的桥联、拔出和脱粘等[6]（图4）。

1）纤维/晶须的桥联：当陶瓷基体发生断裂时，纤维/晶须能够桥接两个断裂面，从而阻止了裂纹的扩展，使得陶瓷基材料强韧化。

2）纤维/晶须的拔出：在纤维/晶须与陶瓷基体的界面中，存在的较大的应力使得纤维/晶须从基体中拔出，此过程中消耗了能量；而拔出的过程中所产生的微裂纹也吸收了不少能量。

3）纤维/晶须的脱粘：当纤维/晶须与陶瓷基体具有较弱结合力且晶粒的断裂强度超过裂纹的扩展应力时，裂纹会偏离原来沿晶须/纤维与基体的结合面扩展，引发晶须/纤维与陶瓷基体界面脱粘；此脱粘的过程既阻碍裂纹扩展也消耗了大量能量。

图4 纤维/晶须的强韧化机理 ©张伟强

在第二组份颗粒相变使陶瓷强韧化中，氧化锆（ZrO2）材料最为受到关注。陶瓷材料内部裂纹尖端集中的高应力，使得四方相氧化锆晶粒发生了马氏体相变（t→m相变）。此过程中，消耗大量了能量，松弛了裂纹尖端应力，阻碍了裂纹的进一步扩展；此外，该过程伴随着5%体积膨胀，使周围基体受压，促使区域内裂纹闭合；总之，氧化锆的马氏体相变结果使得陶瓷基材料断裂韧性和强度提高[7]。

图5.氧化锆的强韧化机理 ©张伟强

当第二相颗粒加入到陶瓷基体后，第二相颗粒的移动或者弥散，会使扩展过程中的裂纹因分散相粒子的阻碍作用而发生扩展方向的弯曲；第二相颗粒的移动或者弥散消耗了裂纹尖端的能量，达到对陶瓷强韧化目的。此外，由于第二相颗粒与陶瓷基体的弹性模量和相热膨胀系数失配而产生的残余应力，会与扩散裂纹尖端应力发生交互作用，使得裂纹产生偏转、桥联（如图6所示，当交互作用过大时，桥联单元也可能发生穿晶）或者钉扎等效果，达到了阻止裂纹进一步扩展从而使陶瓷强韧化[8]。

图6.裂纹的穿晶、偏转和桥联 ©张伟强

如同通过后天的锻炼使得肌肉变得孔武有力，改变陶瓷材料的烧结或者热处理工艺，使得陶瓷基体中生长出类似晶须的棒状晶粒。通过棒状晶粒的桥联、拔出与裂纹的偏转，使得裂纹的扩展得到阻止，从而使得先进陶瓷材料得到强韧化。尤为典型的是氮化硅陶瓷，通过控制配比和工艺条件，使得氮化硅生成出β-Si3N4棒状晶粒，其降低了氮化硅陶瓷对缺陷和裂纹的敏感度，从而使得氮化硅陶瓷的韧性和强度得到提高[9]。

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