陶瓷增韧方法及其研究进展PPT参考课件
陶瓷材料的增韧机理
陶瓷材料的增韧机理引言:现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、而腐蚀及相对密度轻等许多优良的性能。
但它同时也具有致命的弱点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。
因此,陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问题。
陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面需要吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就是陶瓷脆性的本质原因。
人们经过多年努力,已探索出若干韧化陶瓷的途径,包括纤维增韧、晶须增韧、相变增韧、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。
这些增韧方法的实施,使陶瓷材料的韧性得到了较大的提高,使陶瓷材料在高温结构材料领域显示出强劲的竞争潜力。
增韧原理：1.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。
任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。
对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。
为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。
纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化,由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。
纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹。
1.2 晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[8]。
陶瓷晶须目前常用的有SiC 晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。
基体常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。
采用30%(体积分数)B2SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa#m1/2，比纯莫来石提高100%以上。
王双喜等[10]研究发现,在2%(摩尔分数)Y2O32超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,可以细化2Y2ZrO2材料的晶粒,并且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。
第二章 3 陶瓷材料的结构增韧(共52张PPT)
(3) 纤维及高分子夹层材料
此类材料有碳纤维、芳纶纤维，环氧树脂等。纤维织物与聚 合物的层状复合材料是一种传统复合材料，技术和理论都比较成 熟，但将其作为夹层材料应用于陶瓷增韧时间不长。纤维、高分 子等软相材料作为烧成后的陶瓷薄层基体材料的夹层材料具有很 好的止裂能力。文献试制了Al2O3/芳纶纤维增强环氧树脂复合材 料，使断裂功提高了80倍。其夹层材料参数是:Kevlar-49芳纶纤 维预浸环氧树脂胶，含胶量50%，层厚0.18mm。
1988 年 , Coblenz提出了纤维独石结构 (fibrous monolithic structure) 。 纤维状的胞体以一定的方式排布 ,中间间隔有很薄的界面层 ,结合成一个
块体的结构材料 。 近年来提出将这种结构引入到先进陶瓷基复合材料的设 计与制备中 。 纤维独石陶瓷由于其优异的力学性能，特别是高的断裂韧性 与断裂功 、极高的抗热冲击破坏能力 、 较高的断裂强度 、 良好的高温抗 蠕变性能 、 独特的三维微结构排列等优点已经引起国内外科技工作者的广 泛关注和研究 。
主要影响因素：
〔1〕纤维前驱体直径
〔2〕结构单元的强化 〔3〕界面层的结合强度
〔4〕纤维排布方向
2、仿贝壳结构特征的层状结构陶瓷材料
2.2层状陶瓷增韧思想的提出
近年来，围绕着改善陶瓷材料韧性的问题，国内外进行了大量的研 究工作，其中采用层状复合结构设计进行陶瓷增韧就是其中的方法之一。
陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发。研究发 现，贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超薄的碳酸钙通 过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，如图2.1所示，其中碳酸钙约占体积 的95%，有机物只占5%，但这5%的有机物的存在却引起了碳酸钙力学性能的巨
陶瓷增韧方法及其研究进展共19页PPT
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陶瓷增韧方法及其研究进展
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层状复合陶瓷的增韧与设计研究进展
1 层状复合陶瓷增韧机理
与传统陶瓷的强韧化机制不同 ,层状复合陶瓷的 韧化机制属能量吸收 、耗散机制 ,这种结构设计将减 小材料力学性能对缺陷的敏感性 ,使之成为一种耐缺 陷材料 [ 2 - 3 ] ,使材料的断裂韧性获得较大的提高 。相 对于传统的强韧化机制 ,层状复合陶瓷设计避免了增 韧效果受工作环境限制 、第一相的分散均匀等问题 , 而且增韧效果远远好于传统的强韧化机制 ,断裂功甚 至可提高 2～3个数量级 [ 4 ] 。其设计是在两层高强度 的基体间引入夹层来达到增韧效果 [ 5 ] ,其增韧机理也 各不相同 ,大致可以分成以下 3类 。 1. 1 弱夹层裂纹偏转增韧
夹层在一定厚度小范围波动时 (和材料性质有 关 ) ,几乎对试样的表观断裂韧性和断裂功没有影响 ; 而明显的偏大偏小 ,断裂方式将发生改变 ,断裂韧性 也会有显著的减小 。如文献 [ 15 ]所述 : A l2 O3 - W 层 状复合材料中 ,金属夹层 W 的层厚过大或过小时 ,复 合材料的抗弯强度和断裂韧性都会大幅降低 。 2. 4 界面设计 [ 24 ]
随着高科技的发展 ,机械 、电子 、航空航天 、能源 等各工业部门对于材料耐腐蚀性 、耐磨性 、高温性能 等提出更高的要求 ,现有的金属或高分子材料往往难 以胜任 。因此 ,具有高强度 、高硬度 、高弹性模量 、热 化学稳定性好等优异性能的陶瓷材料日益受到关注 。 但是陶瓷所固有的脆性限制了其优良性能的发挥 ,因 而也限制了它的实际应用 。改善陶瓷材料的脆性 ,增 大其强度也就成为该材料能否广泛应用的关键 。
《陶瓷材料增韧》课件
晶须增韧的原理是利用晶须的高强度 和韧性，在陶瓷材料受到外力作用时 ，晶须能够阻碍裂纹扩展，吸收能量 ，从而提高陶瓷材料的韧性。
相可相变的第二相，利用其 相变过程中的体积效应和能量吸收机制，达到增韧效果。
详细描述
相变增韧的原理是利用第二相在相变过程中的体积效应和能 量吸收机制，在受到外力作用时，第二相发生相变，产生微 裂纹，吸收能量，从而降低裂纹扩展的驱动力，提高陶瓷材 料的韧性。
04
新兴陶瓷增韧技术
纳米复合增韧
总结词
通过在陶瓷基体中引入纳米尺度的第二相粒子，实现材料韧性的提升。
详细描述
纳米复合增韧技术利用纳米尺度的第二相粒子在陶瓷基体中产生微裂纹的分散作 用，吸收裂纹扩展的能量，从而延缓或阻止裂纹的扩展，提高陶瓷材料的韧性。
自增韧技术
总结词
通过陶瓷材料自身的结构设计，实现 材料韧性的提升。
详细描述
自增韧技术通过改变陶瓷材料的内部 结构，如晶粒形状、晶界设计等，实 现材料韧性的提升。这种技术不依赖 于添加其他物质，而是通过优化材料 自身的结构来提高韧性。
其他新兴陶瓷增韧技术
总结词
除上述两种技术外，还有一些新兴的陶瓷增韧技术正在发展。
详细描述
随着科技的不断发展，新的陶瓷增韧技术也不断涌现。这些技术可能涉及新的材料体系、制备工艺或增韧机制， 具有更高的增韧效果和更广泛的适用范围。这些新兴技术为陶瓷材料的进一步发展提供了更多可能性。
颗粒增韧
总结词
颗粒增韧是通过在陶瓷基体中加入韧性颗粒，利用其与基体的界面脱粘和拔出 机制吸收能量，达到增韧效果。
详细描述
颗粒增韧的原理是利用韧性颗粒与基体的界面脱粘和拔出机制，在受到外力作 用时，韧性颗粒会拔出基体，吸收能量，从而降低裂纹扩展的驱动力，提高陶 瓷材料的韧性。
陶瓷材料的强化和增韧
二、材料的强化
（2）细晶强化 晶界强化现象
左图为仅由两个晶粒构成的试样，在经过拉伸 变形后会出现明显的“竹节”现象，即试样在 远离夹头和晶粒中部出现明显的颈缩，而在晶 界附近则难以变形。
由于晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处， 原子排列紊乱；
晶界处的杂质原子较多，增大了晶格畸变； 因而位错在晶界附近的滑移阻力大，故难以 发生变形。
三.陶瓷材料的增韧
最原始的增韧方法—层状增韧
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
三.陶瓷材料的增韧
思考： 陶瓷断裂的主要原因？
陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何阻止
裂纹扩展呢？
① 分散裂纹尖端应力； ② 消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒； ③ 转换裂纹扩展的能量。
金属强化方法
形变硬化 合金强化 细晶强化 化学强化 沉淀强化。。。
二、材料的强化
（1）形变硬化 金属材料大量形变以后强度会提高。
举例1：高强度冷拔钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制 品，抗拉强度可以达到4000MPa, 这就是用强烈冷变形的方 法取得的。 举例2：下图为冷变形对工业纯铜性能的影响，随变形量 增大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。
（3）固溶强化 应 力 固溶体 纯金属
合金的应变强 化能力比纯金 属要高，Why?
应变
位错机理：融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位 错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与 硬度增加。
二、材料的强化
（3）固溶强化
① 因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。 它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现 在对位错的钉扎作用上。 ② 由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位 错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变 化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能； ③ 电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。在有弹性应力场的 晶体缺陷区域电子会较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极
陶瓷增韧的主要方法及原理
陶瓷增韧的主要方法及原理一、引言陶瓷是一种脆性材料，易于断裂。
为了增强其韧性，人们采用了多种方法进行改良。
本文将介绍陶瓷增韧的主要方法及原理。
二、陶瓷增韧的方法1. 颗粒增韧法颗粒增韧法是通过在陶瓷基体中添加颗粒来增强其韧性。
这些颗粒可以是金属、氧化物或碳化物等，它们与基体之间形成界面，能够吸收裂纹扩展时产生的应变能，并阻止裂纹扩展。
此外，颗粒还可以提高材料的耐磨性和抗腐蚀性。
2. 界面改性法界面改性法是通过在陶瓷基体与填充物之间形成高强度的化学键或物理键来增强其韧性。
这些填充物可以是纤维、颗粒或片层等，它们与基体之间形成界面，在受力时能够吸收应变能并阻止裂纹扩展。
3. 晶界工程法晶界工程法是通过控制晶界结构和组成来调控陶瓷的韧性。
晶界是不同晶粒之间的界面，其结构和组成对材料的力学性能有重要影响。
通过控制晶界的取向、密度和化学成分等，可以增强陶瓷的韧性。
4. 段隙复合法段隙复合法是通过在陶瓷基体中引入微观孔隙来增强其韧性。
这些孔隙可以是球形、板状或纤维状等，它们与基体之间形成界面，在受力时能够吸收应变能并阻止裂纹扩展。
5. 热处理法热处理法是通过改变陶瓷的组织结构和物理性质来增强其韧性。
常用的方法包括高温固相反应、快速冷却和退火等。
这些方法可以使陶瓷中形成微观结构，从而提高其韧性。
三、陶瓷增韧的原理1. 裂纹阻挡机制颗粒增韧法、界面改性法和段隙复合法都利用了裂纹阻挡机制来增强陶瓷的韧性。
当裂纹遇到填充物或孔隙时，会发生偏转、分支或停止，从而消耗裂纹扩展时产生的应变能，阻止裂纹继续扩展，提高材料的韧性。
2. 晶界阻挡机制晶界工程法利用了晶界阻挡机制来增强陶瓷的韧性。
当裂纹遇到晶界时，会发生偏转、分支或停止，从而消耗裂纹扩展时产生的应变能，阻止裂纹继续扩展，提高材料的韧性。
3. 相变机制热处理法利用了相变机制来增强陶瓷的韧性。
在高温下进行固相反应或快速冷却可以使陶瓷中形成微观结构，从而改变其物理性质和组织结构。
第二章 3 陶瓷材料的结构增韧讲诉
近些年来，人们从天然生物的研究中达到启示，天然的生物 材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它们虽然具有简单的组成，但 是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综 合性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿生结构设计的 思想，通过“简单组成、复杂结构”的精细组合，来实现材料的 高韧性、抗破坏及使用可靠性特性。陶瓷材料的仿生结构设计， 从很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化 提供了一条崭新的研究和设计思路。
(2) 流延法 将制备好的夹层材料料浆通过底部有狭缝的料 斗连续地涂敷于基体带上，调节刮刀与基带之间的间隙、料浆 的粘度、浆液的压差及基体带的运动速度等参数可以控制流延 厚度。流延法制备的夹层厚度均匀性比较好。
(3) 浸涂法 将基体素坯层在夹层材料料浆中浸渍后烘干， 通过浸渍时间和次数控制夹层厚度。若夹层材料为金属，可将 烧结后的陶瓷薄层叠放后，浸入熔融金属液中凝固而直接得到 层状材料。
形。 2) 干粉分层敷放压制成型 基体层和夹层材料均为干粉，依次敷放在模具中进行压制成
型。此种方法层间结合较好。 3) 基片涂覆夹层材料浆液后层压成型
基体为预制片，夹层材料为料浆，涂覆后叠放压制成型。 夹层材料料浆在基体层上的施加方法主要有：
(1) 喷涂法 将含有分散剂、悬浮剂等成分的夹层材料悬浮 液喷在基体素坯薄片上再干燥，厚度由喷涂次数来控制。
陶瓷材料的增韧机理
陶瓷材料的增韧机理引言:现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、而侵蚀及相对密度轻等许多优良的性能。
但它同时也具有致命的弱点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的利用受到专门大限制的要紧缘故。
因此,陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问题。
陶瓷不具有像金属那样的塑性变形能力,在断裂进程中除产生新的断裂表面需要吸收表面能之外,几乎没有其它吸收能量的机制,这确实是陶瓷脆性的本质缘故。
人们通过量年尽力,已探讨出假设干韧化陶瓷的途径,包括纤维增韧、晶须增韧、相变增韧、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。
这些增韧方式的实施,使陶瓷材料的韧性取得了较大的提高,使陶瓷材料在高温结构材料领域显示出强劲的竞争潜力。
增韧原理：1.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必需尽可能提高材料断裂时消耗的能量。
任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。
关于脆性基体和纤维来讲,许诺的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。
为了提高这种材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展途径。
纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了全然性转变,由原先的脆性断裂变成了非脆性断裂。
纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预紧缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹。
晶须增韧陶瓷晶须是具有必然长径比且缺点很少的陶瓷小单晶,因此具有很高的强度,是一种超级理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[8]。
陶瓷晶须目前经常使用的有SiC晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。
基体经常使用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。
采纳30%(体积分数)B2SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa#m1/2，比纯莫来石提高100%以上。
王双喜等[10]研究发觉,在2%(摩尔分数)Y2O32超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,能够细化2Y2ZrO2材料的晶粒,而且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变成穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。
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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。
7
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，起到增韧的作 用。
陶瓷增韧方法及其研究进展
主讲人：
1
引言 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。 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， 因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的 热点。
增韧方法
增韧机理
颗粒增韧
拉脱/桥接效应
纤维/晶须增韧
裂纹弯曲/转向
自增韧
相转变
相变增韧
残留应能效应
纳米增韧
微裂纹增韧
5
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。
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复合增韧
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。
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。
14
陶瓷增韧技术的局限性
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：
11
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。
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。
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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。
9
微裂纹增韧
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。
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。
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纳米增韧
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。
2
最原始的增韧方法—层状增韧
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
3
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？
1、分散裂纹尖端应力 2、消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需
克服的能垒 3、转换裂纹扩展的能量
4
陶瓷增韧
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。
16
THE END
其实生活中真的能给我们很多启示，只 要把基本知识学好，善于观察生活，也许未 来的科学家就是我们。
由于我的知识有限，只能尽量让大家听 懂这些原理，课下咱们继续学习，一起努力！
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这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。 另外，相转变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。 如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材 料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达 到增韧的目的。
8
残余应变能增韧
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。
颗粒弥散增韧操作比较简单，但增韧效 果不显著。
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。
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。
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未来陶瓷的发展趋势
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。