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摘要:陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,但是陶瓷材料的脆性问题始终制约着陶瓷材料的进展。近年来,人们在提高陶瓷的韧性方面取得了众多成果。本文介绍了近五年来国内外关于纳米陶瓷基复合材料的增韧问题的争辩进展,并对陶瓷基复合材
料的增韧进展了前景展望。
关键词:陶瓷基复合材料;增韧;争辩进展
ResearchandDevelopmentofTougheningofCeramicMatrixComposites(AReview)
ZhouKui
StateKeyLaboratoryofMaterialProcessingandDie&MouldTechnology,Huazhonguniversityofscienceandtechnology
Abstract:Ceramicmaterialshaveoutstandingperformanceatstrength,hightemperatureresistance,corrosionresistance,,,theresearchstatusaboutceramicmatrixcomposite
tougheningproblemathomeandabroadhadbeenintroducedandtheprospectofceramic
:ceramicmatrixcomposites;toughening;researchstatus
1、引言
陶瓷材料不管是在古代还是当今社会都是不行缺少的材料,它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。[1]陶瓷材料是用自然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点,不仅可用作构造材料,由于其还具有某些特别的性能,因此它也可作为功能材料。[2]
目前,型的陶瓷材料正在以往使用金属的领域中得到应用,如发动机零部
件、高温喷嘴、磨球、轴承、耐磨部件、刀具等。由于构造陶瓷固有的脆性,其具有灾难性破坏的致命弱点,使其牢靠性较差,因此,改善陶瓷材料的韧性就成为直接关系到陶瓷材料在高科技领域中应用的关键。近年来,围绕陶瓷材料韧化这一关键性问题,已进展了大量而深入的根底争辩,取得了不少突破性的进展。主要表现在以下几个方面:[3]
进展了高纯、超细、均质的陶瓷粉体制备技术,最终提升陶瓷的韧性;
开发出了流延法成型、轧膜成型、注射成型、挤制成型以及近年来消灭的胶态成型等有用型成型工艺;
进展了热压烧结、热等静压烧结、气压烧结、微波烧结、自集中高温合成、等离子放电烧结等烧结技术;
在相平衡、反响热力学、动力学、胶体化学、外表和界面科学、烧结机理等根底争辩方面均取得了不少突破性的进展。
脆性是陶瓷材料的致命弱点,其其来源于高键能引起的缺陷敏感性,陶瓷材料的强韧化从本质上来讲,就是降低陶瓷对缺陷的敏感性。高模量是陶瓷材料的另一个显著特点,而高模量使陶瓷基复合材料表现出较高的裂纹敏感性,因此,陶瓷材料的韧化除了通过复合降低缺陷敏感性之外,还要降低复合材料的裂纹敏感性。[4]
陶瓷基复合材料的韧化涉及缺陷敏感性和裂纹敏感性两个方面,裂纹敏感性与增韧体的尺度有关,裂纹敏感性与界面行为和增韧体的长径比有关。为了实现陶瓷的增韧,对陶瓷基复合材料往往要求基体与增韧体之间呈弱界面结合,通过降低裂纹敏感性来提高韧性。[5]
2、陶瓷基复合材料的增韧
同一般金属相比,陶瓷材料的晶体构造简单而外表能小,因此,它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性及耐热性比金属优越,但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用牢靠性却不如金属。搞清陶瓷的性能特点及把握因素,是对陶瓷增韧格外重要的。[4]
事实上,陶瓷晶体之所以脆,是由于陶瓷晶体内缺少五个独立的滑移系,在受力作用下难于发生滑移引起的塑性变形以松弛应力,在显微方面其脆性根源是由于存在裂纹,且易于导致高度裂纹集中。从断裂力学的观点来看,抑制陶瓷的脆性的关键是:一是要提高陶瓷材料抵抗扩展裂纹的力量,二是要减缓裂纹尖端
的应力集中效应。陶瓷受外力作用,直至断裂时外力对每单位体积陶瓷所做的
功称为陶瓷材料的断裂能。在裂纹扩展过程中,任何能为断裂能的提高做
出奉献的能量损耗机制都有助于提高陶瓷材料的的韧性。
[6]
陶瓷韧化可分为两类:一类是自增韧陶瓷,它是由烧结或热处理等工
艺使其微构造内部自生出增韧相;另一类是在试样制备时参加起增韧作用
的其次相〔组元〕,如纤维增韧、晶须增韧及颗粒弥散增韧等。
[3]

陶瓷材料的颗粒弥散增韧指把其次相颗粒引入陶瓷基体中,使其弥散分布并引起增韧补强陶瓷基体的方法。这种增韧方式是通过其次相颗粒的弥散或者颗粒的移动,产生肯定塑变、沿晶界面滑移带来蠕变、形成裂纹尖端屏蔽、主裂纹四周微开裂或裂纹桥,以及由于其次相与基体相热膨胀系数及弹性模量的失配导致的剩余热应力与集中裂纹尖端应力交互作用,使得裂纹产生偏转、分岔、桥联或者钉扎等效果,到达阻挡裂纹扩展、提高断裂韧性的目的。[7]
由于颗粒增韧具有工艺简洁、其次相简洁分散、制品致密等优点,使得颗粒
增韧陶瓷基复合材料在很多方面获得了应用。[3]
刘丽菲[8]利用AlO的弥散增韧作用,以AlO为增韧剂,承受高温烧结法制
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备了增韧氧化锆陶瓷,抗弯强度和断裂韧性分别达到1016MPa和
·m1/2。徐鹤[9]在其争辩中将碳黑颗粒引入到ZrB2-SiC材料中,承受传统热压烧结工艺,制备出了高抗热冲击性能的ZrB2-SiC-C复合材料,添加碳黑后,·m1/·m1/2。AzharAZA
等人[10]争辩了参加的粒子尺寸对ZTA-MgO陶瓷切削刀具的韧性的影响,结果表
明承受小粒径能获得韧性更好的切削刀具。LiuY等人[11]则争辩了纳米粒子对金属-陶瓷复合材料的断裂韧性的影响。
纤维、晶须增韧
纤维或晶须可有桥联、裂纹偏转(或分岔)和纤维拔出等多种增韧补强机理。产生桥联时,纤维或晶须像桥梁一样,牵拉住两裂纹面,阻挡裂纹进一步扩展。纤维或晶须与基体的结合面为弱结合面,当晶粒的断裂强度超过裂纹的扩张应力时,裂纹偏离原来的前进方向,沿纤维与基体的结合面扩展,引起界面解离,当扩张应力大于晶粒的断裂强度时,裂纹穿过晶粒。裂纹扩展路径呈现锯齿状,具有比平面裂纹更大的外表积和外表能,可以吸取更多的能量,起到增韧效果纤维或晶须拔出时与界面发生摩擦,其作用机理与桥联一样。所以,适当的界面结合强度是此类增韧的前提。[7]
朱潇怡[12]设计了以纳米SiC为基体相、纳米TiN、SiC晶须为增加相的纳米复合碳化硅陶瓷体系,承受二步成型及无压液相烧结技术制备了SiC纳米复合陶瓷,·m1/2。刘笑笑等人[13]争辩了碳纳米管对Sm2Zr2O7微观形貌、相构造以及断裂韧性的影响,结果说明:碳纳米管均匀分散在Sm2Zr2O7基体中,复合材料的断裂韧性高于纯Sm2Zr2O7试样,并且随着碳纳米管含量的增多,复合材料强度和韧性有所提高。AguilarElguézabalA等人[14]争辩了Al2O3+70wt%ZrO2纳米+%Al2O3晶须的复合材料的断裂韧性,结果说明该复合材料的断裂韧性比纯氧化铝陶瓷增加了62%。KayaC等人[15]在其文献中介绍了一种廉价而且牢靠的陶瓷基复合材料的加工路线,生产的产品得到了广泛的应用。
相变增韧
相变增韧是通过把握烧结工艺使内部的微观组织产生增韧相,是一种自增韧过程。相变需消耗大量能量,裂纹尖端应力松弛,可阻碍裂纹的进一步扩展。相变的体积膨胀使四周基体受压,促使其它裂纹闭合,从而提高断裂韧性和强度。在实际材料中到底何种增韧机制起主导作用,在很大程度上取决于四方相向单斜相马氏体相变的程度凹凸及相变在材料中发生的部位。至今为止,利用局部稳定氧化锆的相变增韧是最为成功的增韧方法之一,但是由于很多脆性材料并不肯定具备这种有利于增韧的相变,并且还受温度的影响较大,所以这种增韧方法还不能得到普遍应用。[7]
赵磊等人[16]考虑粒子相变与弧形微裂纹的联合效应,从理论上建立了含弧形微裂纹相变复合陶瓷的混合型裂纹增韧模型,得出相变对静止裂纹无增韧作用;相变对稳态扩展裂纹的增韧结果除与材料弹性模量、相变尾区高度和相变粒子的体积分数有关外,还与复合陶瓷的颗粒直径和弧形微裂纹的体积分数有关。娄本浊[17]系统的争辩了Al2O3/TiO2纳米复相陶瓷的增韧机理后觉察,对于1350℃
烧结的ATZ陶瓷,其增韧机理为相变增韧和纳米颗粒增韧;对于1450℃的ATZ陶
瓷烧结体,增韧机理主要为纳米颗粒增韧、微裂纹增韧,并且ATZ陶瓷体在1450℃烧结时的增韧效果优于1350℃烧结时的增韧效果。SeoYH等人[18]在建立了立方Pb1−yLay(Zr1−xTix)O3在添加和不添加氧化锆的韧化模型后,供给了一条清楚的
压电陶瓷增韧的途径。
自增韧
自增韧主要是通过工艺因素的把握,使陶瓷晶粒在原位形成有较大长径比的形貌,从而起到类似于晶须的补强增韧作用。自增韧陶瓷复合材料是通过在陶瓷基体中直接发生高温化学反响或者相变过程,在主金相基体中生长出均匀分布的晶须、棒状晶粒或晶片的增加体。近年来争辩最多的自增韧陶瓷材料有Si3N4、Sialon等。[7]
刘维良等人[19]承受SHS合成的α-Si3N4为原料,添加复合稀土氧化物Y2O3、Al2O3,承受热压烧结制备自增韧氮化硅,,·m1/2。刘春凤等人[20]选用不同离子尺寸的稀土氧化物单一
或复合掺杂α-sialon陶瓷,系统争辩了陶瓷的相组成、晶粒形貌、微观构造以
及力学性能与稀土元素的类型的关系。ScitiD等人[21]承受添加SiN或MoSi并进
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2
4
行无压烧结制得了ZrB2-SiC自增韧复合陶瓷。BucevacD[22]利用TiO、BC和C之
间的原位反响制得TiB2体积分数为50%的SiC-TiB2复合材料,·m1/2。
3、将来与展望
在实际增韧陶瓷材料中起增韧作用的机制不只有一种。[6,7]如在含有ZrO2相变韧化的陶瓷材料中,上述几种韧化机理经常相伴而生,即所谓复合韧化机理。这是由于任何陶瓷材料的晶粒尺寸都不是确定均匀单一的,而是有一个尺寸分布范围。对于晶粒尺寸分布在某一范围内的ZrO2粒子来说,不同尺寸的晶粒将有其不同的韧化作用机理。各种增韧机理之间可以相互作用,但并非任意的几个增韧机理的叠加都会产生协同效应,协同增韧效果也不是几种增韧机理的简洁叠加。因此深入争辩各种增韧机理之间的相互作用是接下来的重要争辩方向。[23,24]
多相复合陶瓷也是目前正广泛争辩的对象。同其他复合材料一样,多相复合陶瓷也是一种可设计性强的非均质材料。通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证,可以使各种原组分材料的优点产生互补作用,从而得到综合性能优异的型材料。[3]
随着仿生复合材料争辩的深入,仿生复合陶瓷材料也越来越受到人们的重视,已经有不少学者开展了这方面的争辩。[25-27]
陶瓷的脆性是由其共价键和离子键的本质所打算,人们是无法转变的。由于影响陶瓷韧性的因素很多,因而增韧的方法也简单多样。同时,陶瓷材料的增韧效果不仅与其成分、烧成温度、晶粒尺寸等因素有关,而且还与烧结后的热处理工艺有关,因此,要获得最正确的增韧效果,还要解决材料优化设计和工艺优化设计的问题。通过多种途径的增韧补强将其韧性提高到接近铸铁或高强度铝合金的水平还是可能的,加上构造设计上的改进,先进陶瓷工业的应用将会有一个的飞跃。[6,7]
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