陶瓷增韧方法及其研究进展

1、陶瓷增韧方法及其研究进展主讲人：v引言v 陶瓷材料的致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的应用范围。v 只有改善陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使陶瓷材料真正地成为一种广泛应用的新型材料，v 因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。v最原始的增韧方法层状增韧v 一枝易折弯,几枝竹断节难层状结构复合陶瓷模型和独石结构陶瓷模型的载荷-位移曲线v 陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何组织裂纹扩展呢？v 1、分散裂纹尖端应力v 2、消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒v 3、转换裂纹扩展的能量陶瓷增韧增韧方法增韧机理相变增韧纤维/

2、晶须增韧纳米增韧裂纹弯曲/转向残留应变能效应颗粒增韧自增韧拉脱/桥接效应相转变微裂纹增韧拉脱/桥接效应纤维、晶须增韧原理 图1中，在紧靠裂纹尖端的晶体，由于变形而给裂纹表面加上了闭合应力，抵消裂纹尖端的外应力，钝化裂纹扩展，从而起到了增韧作用;此外，裂纹扩展时，柱状晶体的拔出时也要克服摩擦力，也会起到增韧的作用。裂纹弯曲转向颗粒、纤维晶须增韧、自增韧原理 图2中，由于柱状晶的存在，导致裂纹发生偏转，改变和增加了裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。相转变增韧 亚稳定四方相t-ZrOz在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变，形成单斜相，产生体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍裂纹扩展，起到

3、增韧的作用。 这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。残余应变能增韧v 与相转变的原理基本相似，在裂纹进行扩展之前，首先得克服陶瓷样品本身的内部残余应变能，从而达到增韧的目的。微裂纹增韧v 在裂纹应力尖端加入韧性材料，使其产生微裂纹，达到分散应力的目的，减少裂纹前进的动力，从而增加材料的韧性。v 在材料发生相转变时，往往也会导致残余应变能效应以及产生微裂纹。因此，相转变增韧的效果是显著的。纳米增韧v 第一种是“细化理论”，认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大，使基体结构均匀细化，从而提高纳米陶瓷复合材料强度韧性。v 第二种是“穿晶理论”，认为纳米复合材料中，基体颗粒以纳米颗粒为核发生

4、致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部形成“晶内型”结构。v 这样便能减弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂，使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂，从而提高纳米陶瓷复合材料强度和韧性。v 第三种是“钉扎”理论，认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生“钉扎”效应，从而限制了晶界滑移和孔穴、蠕变的发生，晶界的增强导致纳米复相陶瓷韧性的提高。v 在实际增韧过程中往往是由几种增韧机理同时起作用，而不是某个单独机理，应根据实际情况来选择具体的增韧机理。复合增韧v 结构复合材料中，不同的增韧机理主要通过线性效应起作用，如：加和效应、平均效应、相补效应、相抵效应。陶瓷增韧技术的局限性v 陶瓷增韧技术虽然众多，但是各种增韧技术都有自身的特点和局限性，如：v 颗粒弥散增韧操作比较简单，但增韧效果不显著。v 纳米级颗粒引入陶瓷基体中取得了很好的增强增韧效果，但制备纳米复相陶瓷成本较高。v 相变增韧效果显著，但只能应用于氧化锆陶瓷中，其他材料则无法采用。未来陶瓷的发展趋势v 仿生结构设计也是增韧的一种新途径。通过对自然界中天然材料特殊结构(如木、竹、贝壳珍珠层)的模仿，有可能制备出与这些材料具有相似显微结构的高强高韧陶瓷材料。 v 多层陶瓷结构就是基于贝壳仿生结构而出现的一种高韧性陶瓷复合材料，在陶瓷增韧方面展现了很好的前景。THE END 其实生活中真的