眾所周知，陶瓷材料均有一個(gè)致命的共同缺陷--“脆性”。陶瓷材料的脆性是物質(zhì)的化學(xué)鍵合性質(zhì)和它的顯微結(jié)構(gòu)所決定的，是陶瓷材料與生俱來的特性。下文將與大家一起探討陶瓷材料的脆性及改善方法。

一、陶瓷為啥會(huì)“脆”呢？

陶瓷材料都是由離子鍵或共價(jià)鍵所組成的多晶結(jié)構(gòu)，它缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng)。且其制備過程中不可避免的在材料表面殘留微缺陷，這些缺陷均有可能構(gòu)成裂紋源，材料一旦受到外加的負(fù)荷，應(yīng)力就會(huì)在這些裂紋的尖端集中。在陶瓷材料中若沒有其他可以消耗外來能量的系統(tǒng)，便只有以新的自由能予以交換。所謂新的自由能就是裂紋尖端的擴(kuò)展所形成的新的表面所吸收的能量，這樣的結(jié)果就造成裂紋的快速擴(kuò)展而表現(xiàn)為所謂脆性斷裂。

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二、如何改善陶瓷的脆性？

陶瓷材料的脆性在很大程度上影響了材料性能的可靠性和一致性，因此研究陶瓷材料的脆性問題，并提出改善它的有效途徑是許多陶瓷材料研究人員的重點(diǎn)工作，從陶瓷材料脆性的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)研究到有效改善途徑的實(shí)施，首先是材料中弱界面的建立，諸如纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、復(fù)相陶瓷材料、自增韌陶瓷材料、疊層復(fù)合材料、陶瓷材料的晶界應(yīng)力設(shè)計(jì)。還有氧化鋯增韌陶瓷材料、功能梯度材料、納米陶瓷材料等都是行之有效的，下文將為大家做簡單的資料整理。

1.陶瓷材料中弱界面系統(tǒng)的建立

既然在陶瓷材料中沒有可以吸收外來能量的機(jī)構(gòu)存在，那么是否有可能在陶瓷材料中人為地造就一些弱的界面結(jié)構(gòu)，而使裂紋的擴(kuò)展可以通過它們的解離來吸收外來能量，而不至于損害整個(gè)材料。于是經(jīng)過多人多年的實(shí)踐，已經(jīng)有許多可行方案，詳見下文分解。

①纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

用纖維(或晶須)以一定的方式加入到陶瓷的基體中去，一方面可以使高強(qiáng)度的纖維(晶須)來分擔(dān)外加的負(fù)荷，另一方面可以利用纖維(或晶須)與陶瓷基體的弱的界面結(jié)合(這點(diǎn)是可以做到的)來造就對(duì)外來能量的吸收系統(tǒng)，從而達(dá)到改善陶瓷材料脆性的目的。

應(yīng)用舉例：陶瓷基復(fù)合材料可應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)Leap，CMC組件引進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪罩襯里，改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)需要的冷卻空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎳基超級(jí)合金，且擁有更低的比重，可比以往發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省燃油約15%。

②復(fù)相陶瓷材料

兩種不同的材料在一起，由于它們熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不同而必然在兩個(gè)物質(zhì)之間產(chǎn)生應(yīng)力，這種在晶粒界面上所存在的應(yīng)力是造就弱界面的主要根源。很多研究結(jié)果表明，若其中有一種物質(zhì)是納米級(jí)的晶粒存在于另一種物質(zhì)的微米級(jí)晶粒之中，被稱之為納米-微米晶內(nèi)復(fù)合，它們的強(qiáng)度與韌性居然有驚人地提高。

舉個(gè)例子：研究表明在氧化鋁的基體中加入有納米SiC（5 %）和四方相 ZrO2(15%)，它的強(qiáng)度居然可達(dá) 1200 MPa（一般的氧化鋁陶瓷材料的強(qiáng)度只有300Ma左右）；最近的報(bào)道低，溫?zé)Y(jié)的α和β相所組成的氮化硅復(fù)相陶瓷材料，其強(qiáng)度居然可以達(dá)到 1600MPa左右。

③自增韌陶瓷材料

前面提到的是用纖維或晶須加入到陶瓷的基體中起到了強(qiáng)化與增韌的效果。由于具有大的

長徑比的纖維或晶須與顆粒狀的陶瓷基體很難做到均勻的分布，以致造成復(fù)合材料性能的分散。人們不由地設(shè)想，假如有可能在陶瓷的基體中自己能夠形成具有一定的長徑比的形態(tài)，不就可以達(dá)到與纖維或晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷一樣的異曲同工的效果嗎?

于是人們可以通過特殊的工藝處理， 可以使陶瓷坯體中的一部分組分自行生成具有一定的長徑比的形態(tài)。例如在氧化鋁陶瓷在燒結(jié)過程中有少量的液相參與，可以引發(fā)氧化鋁晶粒的異向生長，在氧化鋁的基體中形成眾多的有較大長徑比的棒狀晶體 可以使氧化鋁陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性都有相當(dāng)程度的提高。

④疊層復(fù)合材料

人們從自然界中存在的貝殼顯微結(jié)構(gòu)的啟示中，提出了疊層復(fù)合材料的構(gòu)想。即把兩種不同組分的材料以三明治的方式堆疊起來，組成多層平行界面的疊層復(fù)合材料。這樣設(shè)計(jì)的材料結(jié)構(gòu)具有眾多的和應(yīng)力方向垂直的弱界面，這些弱界面是造成主裂紋擴(kuò)展路徑扭曲的主要原因，也是促使材料韌性提高的重要因素。同時(shí)，在界面間由于在層的兩邊是不同的材料，必然由于兩者在彈性模量和熱膨脹系數(shù)上的差異而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力在一定的限度以內(nèi)，恰恰是補(bǔ)強(qiáng)和增韌的主要原因。當(dāng)然，在夾層物質(zhì)中有一種是具有較大塑性變形能力的，則除其本身可以通過塑性變形來吸收外來能量外還可作為裂紋尖端形成橋聯(lián)的媒介。

⑤陶瓷材料的晶界應(yīng)力設(shè)計(jì)

用不同相的材料所組成的復(fù)相陶瓷，或者在晶界上引入不同組分的玻璃態(tài)物質(zhì)，由于兩者物性上的差異，人為地造成在陶瓷材料中的物理上的失配，以使在材料的界相間造成適當(dāng)?shù)膽?yīng)力狀態(tài)，從而對(duì)外加能量起到吸收、消耗或轉(zhuǎn)移的作用，以達(dá)到對(duì)陶瓷材料強(qiáng)化與增韌的目的.實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種應(yīng)力的存在，在很多場合下對(duì)力學(xué)性能的提高是有利的。

2.氧化鋯增韌陶瓷材料

自從陶瓷鋼的設(shè)想被提出以來，氧化鋯增韌陶瓷材料的研究一直長盛不衰。氧化鋯化合物具有三種晶型，高溫型是立方型、中溫型是四方型，常溫下是單斜型。但是在外應(yīng)力的抑制下，中溫型的四方相的氧化鋯可以在室溫下介穩(wěn)地保持著。一旦在材料受到外力作用，這種受抑制的介穩(wěn)四方相氧化鋯就會(huì)發(fā)生相變，在其相變的過程中要吸收一定的能量，這無疑是起著消耗外來能量的作用。同時(shí)在相變過程中，將要發(fā)生3 %~5 %的體積變化，其結(jié)果是在裂紋尖端的周圍產(chǎn)生微小的裂紋，這是材料韌性增加的表現(xiàn)。

因此，氧化鋯的相變將促成材料的強(qiáng)度的提高以及韌性的增加。氧化鋯的這一特性使它在陶瓷材料中成為一種非常有效的強(qiáng)化和增韌的添加物，由此而構(gòu)成了系列的氧化鋯增韌陶瓷。

在氧化鋯增韌陶瓷材料中最主要的是四方相氧化鋯多晶體(TZP)，它被認(rèn)為是先進(jìn)陶瓷材料中室溫力學(xué)性能最佳的一種材料。

現(xiàn)今“極具爭議”的彩色四方晶氧化鋯手機(jī)背板，

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注：極具爭議指該不該，不是懷疑它性能不行！

3.功能梯度材料

在制作陶瓷涂層的工藝中，為了要獲得較厚的涂層，或者是由于金屬基體與陶瓷涂層在熱學(xué)和力學(xué)性能上的較大差異，往往需要采用涂層組成的梯度變化，以求得到性能好和結(jié)合強(qiáng)度高的陶瓷涂層。

舉個(gè)例子：一面金屬，一面陶瓷材料的結(jié)構(gòu)。一面的組分是金屬材料，它可以在很大程度上像金屬材料那樣使用, 它的韌性高,可以用金屬的工藝來與其他金屬部件連接起來，另一面則可以是耐高溫的陶瓷材料，這是極其巧妙的思路，它很好地避開了陶瓷脆性的弱點(diǎn)。

熱障涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Padture N P，Science, 2002

關(guān)于陶瓷涂層材料的相關(guān)制備工藝可查看“精細(xì)陶瓷的另一重要應(yīng)用形式：陶瓷涂層”

4.納米陶瓷材料

從材料顯微結(jié)構(gòu)看，材料中晶粒尺寸與材料性能有直接的關(guān)系。當(dāng)陶瓷材料的晶粒細(xì)化達(dá)到納米量級(jí)的水平時(shí)，材料性能將有明顯異常優(yōu)秀的表現(xiàn)。

舉個(gè)例子：部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷，由3%（摩爾）氧化釔和氧化鋯的固溶體粉末經(jīng)過常壓燒結(jié)制成，其中氧化釓以平均直徑為0.3μm的微細(xì)結(jié)晶分散在氧化鋯之中，這種氧化鋯陶瓷加熱到1200℃以上進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)時(shí)，在一定的拉伸速率下可伸長12%。

素材來源：

1、關(guān)于陶瓷材料的脆性問題，中國科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷與超微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，郭景坤著。

編輯：Alpha