陶瓷增韌方法及其研究進展

1、陶瓷增韌方法及其研究進展主講人：v引言v 陶瓷材料的致命缺點是脆性，低可靠性和低重復(fù)性，這些不足嚴重影響了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。v 只有改善陶瓷的斷裂韌性，實現(xiàn)材料強韌化，提高其可靠性和使用壽命，才能使陶瓷材料真正地成為一種廣泛應(yīng)用的新型材料，v 因此，陶瓷增韌技術(shù)一直是陶瓷研究的熱點。v最原始的增韌方法層狀增韌v 一枝易折彎,幾枝竹斷節(jié)難層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合陶瓷模型和獨石結(jié)構(gòu)陶瓷模型的載荷-位移曲線v 陶瓷的斷裂主要是由于裂紋擴展導(dǎo)致的，那么如何組織裂紋擴展呢？v 1、分散裂紋尖端應(yīng)力v 2、消耗裂紋擴展的能量，增大裂紋擴展所需克服的能壘v 3、轉(zhuǎn)換裂紋擴展的能量陶瓷增韌增韌方法增韌機理相變增韌纖維/

2、晶須增韌納米增韌裂紋彎曲/轉(zhuǎn)向殘留應(yīng)變能效應(yīng)顆粒增韌自增韌拉脫/橋接效應(yīng)相轉(zhuǎn)變微裂紋增韌拉脫/橋接效應(yīng)纖維、晶須增韌原理 圖1中，在緊靠裂紋尖端的晶體，由于變形而給裂紋表面加上了閉合應(yīng)力，抵消裂紋尖端的外應(yīng)力，鈍化裂紋擴展，從而起到了增韌作用;此外，裂紋擴展時，柱狀晶體的拔出時也要克服摩擦力，也會起到增韌的作用。裂紋彎曲轉(zhuǎn)向顆粒、纖維晶須增韌、自增韌原理 圖2中，由于柱狀晶的存在，導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變和增加了裂紋擴展的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴展阻力。相轉(zhuǎn)變增韌 亞穩(wěn)定四方相t-ZrOz在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴展，起到

3、增韌的作用。 這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌機理。殘余應(yīng)變能增韌v 與相轉(zhuǎn)變的原理基本相似，在裂紋進行擴展之前，首先得克服陶瓷樣品本身的內(nèi)部殘余應(yīng)變能，從而達到增韌的目的。微裂紋增韌v 在裂紋應(yīng)力尖端加入韌性材料，使其產(chǎn)生微裂紋，達到分散應(yīng)力的目的，減少裂紋前進的動力，從而增加材料的韌性。v 在材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變時，往往也會導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生微裂紋。因此，相轉(zhuǎn)變增韌的效果是顯著的。納米增韌v 第一種是“細化理論”，認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細化，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強度韌性。v 第二種是“穿晶理論”，認為納米復(fù)合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生

4、致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部形成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。v 這樣便能減弱主晶界的作用，誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強度和韌性。v 第三種是“釘扎”理論，認為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，從而限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生，晶界的增強導(dǎo)致納米復(fù)相陶瓷韌性的提高。v 在實際增韌過程中往往是由幾種增韌機理同時起作用，而不是某個單獨機理，應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇具體的增韌機理。復(fù)合增韌v 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，不同的增韌機理主要通過線性效應(yīng)起作用，如：加和效應(yīng)、平均效應(yīng)、相補效應(yīng)、相抵效應(yīng)。陶瓷增韌技術(shù)的局限性v 陶瓷增韌技術(shù)雖然眾多，但是各種增韌技術(shù)都有自身的特點和局限性，如：v 顆粒彌散增韌操作比較簡單，但增韌效果不顯著。v 納米級顆粒引入陶瓷基體中取得了很好的增強增韌效果，但制備納米復(fù)相陶瓷成本較高。v 相變增韌效果顯著，但只能應(yīng)用于氧化鋯陶瓷中，其他材料則無法采用。未來陶瓷的發(fā)展趨勢v 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計也是增韌的一種新途徑。通過對自然界中天然材料特殊結(jié)構(gòu)(如木、竹、貝殼珍珠層)的模仿，有可能制備出與這些材料具有相似顯微結(jié)構(gòu)的高強高韌陶瓷材料。 v 多層陶瓷結(jié)構(gòu)就是基于貝殼仿生結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的一種高韌性陶瓷復(fù)合材料，在陶瓷增韌方面展現(xiàn)了很好的前景。THE END 其實生活中真的