脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状
脆性材料的力学性能与应用研究
脆性材料的力学性能与应用研究脆性材料是指在受到应力作用时会发生不可逆性断裂的材料。
与韧性材料相比，脆性材料的断裂过程没有明显的塑性变形，即材料极易发生断裂。
在工程领域中，对脆性材料的力学性能和应用进行深入的研究与探索具有重要意义。
一、脆性材料的力学性能分析脆性材料的力学性能主要包括强度、硬度、韧性和断裂韧度等方面的指标。
1. 强度：脆性材料的强度指标主要包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等。
由于脆性材料的断裂本质上是由于局部破坏引起的，因此其抗拉强度和抗压强度相对较高。
2.硬度：硬度是衡量材料抵抗局部破坏的能力。
脆性材料通常具有较高的硬度，即对外界施加的压力具有较高的抵抗能力。
3. 韧性：与韧性材料相比，脆性材料的韧性较低。
脆性材料在受到应力作用时，往往很快就发生断裂，表现出脆性断裂的特征。
4. 断裂韧度：断裂韧度是指材料在断裂时吸收的能量。
脆性材料的断裂韧度较低，即在断裂前很少能量被吸收。
二、脆性材料的应用研究与发展脆性材料在工程实践中有着广泛的应用，其中一些常见的脆性材料包括陶瓷材料、玻璃和岩石等。
1. 陶瓷材料：陶瓷材料是一类典型的脆性材料，具有优异的耐高温、耐磨损和绝缘性能，因此广泛应用于航空航天、机械制造和电子等领域。
2. 玻璃：玻璃是一种无晶态的非晶态材料，具有高硬度、透明性和化学稳定性等特点，被广泛应用于建筑、光学和电子等领域。
3. 岩石：岩石是地质构造中的主要组成部分，也是一种常见的脆性材料。
岩石在地质勘探、矿山开采和土木工程中发挥着重要作用。
三、脆性材料的研究挑战与发展趋势尽管脆性材料在各个领域有着广泛的应用，但其研究仍然面临许多挑战和问题。
1. 增强韧性：目前，增强脆性材料的韧性是一个研究的热点。
通过添加增韧相或设计多层复合结构等方式来提高脆性材料的韧性，是当前的研究重点。
2. 断裂力学理论：对于脆性材料的断裂行为的理解仍然不够深入。
进一步深入研究脆性材料的断裂力学理论，有助于揭示脆性材料的破裂机制。
陶瓷材料的增韧方法
陶瓷材料的增韧方法
陶瓷材料的增韧方法可以采用以下几种途径：
1. 添加增韧剂：向陶瓷材料中添加一定比例的增韧剂，如纤维、颗粒等微观颗粒，通过增加材料的断裂面积来阻止裂纹扩展，从而提高材料的韧性。
2. 控制晶粒尺寸：通过控制陶瓷材料的晶粒尺寸，可以增加材料的韧性。
通常，晶粒尺寸越小，材料的韧性越高，因为小晶粒可以提供更多的晶界来阻碍裂纹扩展。
3. 调节成分配比：通过调节陶瓷材料中的成分配比，可以改变材料的晶格结构和传输性能，从而影响材料的韧性。
例如，添加一些特定的元素，可以形成固溶体或次微晶结构，从而提高材料的韧性。
4. 控制材料微观结构：通过控制材料的微观结构，如孔隙度、烧结密度等，可以影响陶瓷材料的韧性。
通常，降低材料的孔隙度和提高烧结密度可以增加材料的韧性。
需要注意的是，以上方法并非适用于所有陶瓷材料，具体的增韧方法需要根据具体材料的性质和应用需求进行选择和优化。
3陶瓷材料的结构增韧
(2) 无机非金属夹层材料
常用的无机非金属夹层材料有石墨、BN等弱结合型材料以及 ZrO2， Al2O3等强结合型材料。用石墨、BN等作夹层材料时，复 合材料具有较高的烧结温度，材料整体的力学性能比较好。裂纹 在到达弱夹层时，裂纹尖端由三向应力变为二向应力，穿层扩展 受到阻碍，裂纹发生偏折而沿界面扩展，释放能量。弱夹层的加 入一般会使材料的强度有所下降，但冲击韧性大幅度提高。根据 目前的研究情况，采用致密弱结合型夹层具有比较好的增韧效果； 采用强结合型材料时，主要是利用残余应力、材料相变等机理进 行增韧。
流延成型示意图
注浆成型示意图
3) 电泳沉积 电泳沉积是将基体或夹层材料浆料在直流电场的作用下通过荷电 质点的电泳运动沉积形成坯体。得到的最小层厚度可达2m，且薄层 平整度好。由于水易电解，常用醇和酮类有机溶剂为分散介质；不需 要有机粘合剂、润滑剂或塑性剂，并可一步成型；坯体厚度由料浆浓 度、材料介电性质、电场强度、沉积时间等因素来控制；坯体的形状 取决于沉积模板的形状，也可以通过交替沉积不同的材料而直接得到 层状复合材料坯体；由于无有机粘合剂，所以不需排粘合剂工艺的过 程。这种方法是合成微层层状陶瓷的一种有效方法。
1、纤维独石结构陶瓷材料
自然仿生材料的研究表明 : 天然竹材是典型的长纤维增强 复合材料 ,其增强体一维管束的分布不均匀 ,外层致密 ,体内逐 步变疏松 。 竹干的力学性能如拉伸弯曲 、 压缩强度和模量 , 沿径向的分布一般是在外层高 ,内层低 。竹材的表层的高强度 和高韧性主要是由竹纤维结构的优越性所致 。竹纤维的精细结 构包含多层厚薄相同的层 , 每层中的纤维丝以不同升角分布 , 避免了几何和物理方面的突变 ,层间结合大为改善 。 因此 ,可 以把自然仿生层的结构抽象为软硬相交替的多层增韧结构。
关于陶瓷材料的脆性问题
．研 究 捷 报 的频 频 传 来 ， 人 使
在 第 一小 节 中提 到 的是 用纤 维 或 晶 须 加 入 到 陶瓷 的 基 体 中起 到 了强 化 与增 韧 的效 果 ．由 于 具 有 大 的 长 径 比 的纤 维 或 晶 须 与 颗 粒 状 的 陶 瓷 基 体 很 难 做 到 均 匀 的 分 布 ， 致 造 成 复 合 材 料 性 能 的 分 散 ．人 们 不 以
种 在 晶粒 界 面 上 所 存 在 的应 力 是 造 就 弱 界 面 的 主 要 根 源 ．近 期 ｌ 很 多 研 究 结 果 表 明 ， 其 中有 一 种 物 质 的 若 是 纳 米 级 的 晶 粒 存 在 于另 一 种 物 质 的微 米 级 晶粒 之 中 ， 称 之 为 纳 米一 米 晶 内 复 合 ．它 们 的 强 度 与 韧 性 被 微 居 然 有 惊 人 地 提 高 ．它 们 的 强 化 与 增 韧 的 机 理 目前 还 很 难 以简 洁 的 文 字 加 以 表 达 ， 需 更 深 入 的 研 究 ． 尚
使 陶 瓷 坯 体 中 的一 部 分 组 分 自行 生 成 具 有 一 定 的 长 径 比 的形 态 ．例 如 在 氧 化 铝 陶瓷 在 烧 结 过 程 中 有 少 量 的液 相 参 与 ， 以引 发 氧 化 铝 晶 粒 的 异 向生 长 ， 氧 化 铝 的 基 体 中形 成 众 多 的 有 较 大 长 径 比 的棒 状 晶 体 ． 可 在
提 出 多 相 材 料 ， 时 也 研 究 了 多 种 途 径 强 化 与 增 韧 的 协 同 效 应 ．总 之 ， 瓷 材 料 的 脆 性 问 题 是 可 以 采 用 不 同 的 同 陶
途 径 在 很 大 程 度 上 使 之 改 善 的 ， 是 否 可 以 解 决 陶 瓷 材 料 的 脆 性 问 题 ， 不 能 作 定 论 ．材 料 的 研 究 方 向 向 多 功 但 尚
什么是陶瓷涂层的增韧其方法有哪些？
什么是陶瓷涂层的增韧其方法有哪些？引言陶瓷涂层是一种常用于增强材料表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性的技术。
然而，由于其脆性，陶瓷涂层容易出现开裂和断裂的问题。
为了解决这个问题，人们提出了多种方法来增强陶瓷涂层的韧性和耐久性。
本文将介绍陶瓷涂层的增韧和一些常见的增韧方法。
什么是陶瓷涂层的增韧？陶瓷涂层是一种由陶瓷材料制成的薄膜，常用于增强材料表面的硬度和耐磨性。
然而，由于陶瓷材料本身的脆性，陶瓷涂层在受到外力作用时容易出现开裂和断裂的问题。
增韧是指通过改变陶瓷涂层的结构和组成，使其具备更好的韧性和耐久性。
增韧方法1. 网状增韧网状结构可以在陶瓷涂层中引入一定量的缺陷，使其具备更好的韧性。
通过在涂层中添加纳米颗粒或纳米纤维，可以形成网状结构，有效增加陶瓷涂层的延展性和抗裂性能。
此外，还可以通过控制陶瓷涂层的厚度和颗粒分布来调节网状结构的特性。
2. 复合增韧复合增韧是指在陶瓷涂层中引入其他材料，如金属或聚合物，以改善其韧性。
通过在涂层中添加金属或聚合物颗粒，可以形成复合结构，提高陶瓷涂层的韧性和耐久性。
此外，还可以通过表面处理或界面改性来提高复合增韧效果。
3. 化学增韧化学增韧是通过改变陶瓷涂层材料的组成和结构来提高其韧性。
例如，可以引入微观结构的特定阻尼或缺陷，从而促进裂纹的扩展和分散。
此外，还可以通过调节烧结温度、添加特定的化学物质或改变热处理方式来实现化学增韧。
4. 结构增韧结构增韧是指通过改变陶瓷涂层的结构来增强其韧性。
通过调节烧结工艺参数、改变晶体结构和晶界结构，可以提高陶瓷涂层的韧性和耐久性。
此外，还可以通过添加增韧相、增加晶粒尺寸和调控晶界结构等方法来改善结构增韧效果。
结论陶瓷涂层的增韧是为了解决其脆性问题而引入的一系列方法。
通过网状增韧、复合增韧、化学增韧和结构增韧等方法，可以增加陶瓷涂层的韧性和耐久性。
在使用陶瓷涂层时，应根据具体需求选择合适的增韧方法，以提高涂层的使用寿命和性能。
以上就是陶瓷涂层的增韧及其方法的介绍，希望对您有所帮助。
陶瓷增韧方法及其研究进展
主讲人:
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.
最原始的增韧方法—层状增韧 一枝易折弯,几枝竹断节难
拉脱/桥接效应 裂纹弯曲/转向 相转变 残留应变能效应 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.
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
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 2 克服的能垒 3,转换裂纹扩展的能量
陶瓷增韧
增韧方法
颗粒增韧 纤维/晶须增韧 自增韧 相变增韧 纳米增韧
增韧机理
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,起到增韧的作 用. 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.
如何克服陶瓷材料的脆性
如何克服陶瓷材料的脆性061110425 邹鑫书发动机的效率一般用推重比来衡量，提高推重比的一个方案是减轻重量，可选用比强度、比刚度均大的材料，目前只有陶瓷材料具有着两方面的潜力，但是陶瓷材料又有一个致命弱点，就是脆性大，及意味着陶瓷不能承受机械冲击性能，如果能够克服这个弱点，再加上它原有的耐高温、耐腐蚀、耐磨、高强度等非常有价值的性能，那么陶瓷材料的前途将不可限量，甚至远超现代的优质合金。
近年来，在对传统陶瓷进行研究后发现，它之所以脆弱，主要有两个原因：第一，由于陶器的烧成温度比较低，通常为800℃～1000℃，因此气孔率比较高。
在陶器碎片的断面上，不难看见许多小孔洞，而且组成陶器的颗粒也比较粗大。
瓷器的烧成温度虽然要比陶器高(通常为1200℃～1400℃)，组成的结构也比陶器细密多了，用肉眼可能看不出有什么细微的缺陷。
但是，如果你通过显微镜观察，在瓷器碎片的断面上，就可以看到许多细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕，它们都可能成为陶瓷裂纹的发源地。
第二，由于陶瓷属于脆性材料，一旦出现裂纹，它不像金属那样具有塑性变形能力，所以，只好“打破砂锅(纹)到底”了。
至于在热冲击的条件下，由于陶瓷的导热性较差，热膨胀系数大，热应力由此增加，因此，裂纹的扩展速度会进一步加剧。
在日常生活中，如果我们用砂锅炖煮食物，只能用文火慢慢加热，如果一开始就用猛火急烧，就会出现砂锅炸裂事故。
即使是烧好以后，也不能用水急冷。
（引用）通过金属热处理和材料科学基础的课程学习，我们知道金属的性能与金属中化学成分、缺陷以及采用的热处理工艺有很大的关系，因此，我类比推理，觉得解决陶瓷的脆性问题也可以从这几方面入手。
首先从原材料方面，在氧化锆陶瓷的原料中添加少量的氧化钇、氧化镁、氧化钙等粉末，经高温烧制成氧化锆陶瓷后，其中的氧化锆便生成两种晶体：立方晶体和四方晶体。
当陶瓷受到外力作用时，四方晶体便变成一种单斜晶体，体积迅速“膨胀”。
关于陶瓷材料的增韧技术的研究
简介：
1.引言
2.增韧机制 3.进展
我们都知道
1.优点： （1）性能：氧化铝陶瓷化学性质稳定，具有机械强 度高，硬度大，耐磨，耐高温，耐腐蚀，高的电 学绝缘性和低的介电损耗等 （2）成本低，应用前景广泛（主要应用在航空航 天，发动机耐磨部件，刀具等领域） 2.缺点：高脆性和均匀性差，从而极大地影响了陶 瓷部件的可靠性和使用安全性。 3.措施： 提高陶瓷的韧性的关键是：提高材料抵抗裂纹扩 展的能力，减缓裂纹尖端的应力集中。
2.增韧技术及机理 1.氧化锆应力诱导相变增韧（ZTA） 出发点：相变伴随着体积膨胀，产生屏蔽 裂纹扩展的过程或残余应力增韧。 2.晶须、纤维、碳管增韧 纤维与基体材料间满足的条件：弹性系数 纤维>基体 ；两者的相容性好 3.颗粒弥散增韧 金属离子作为第二相改善基体的烧结性能， 阻碍基体中的裂纹扩展（粒子的塑变性使裂纹 偏转） 4.微结构设计和增韧 原位合成相容性好的自补强韧化陶瓷基 氏体相 变，但增韧效果与温度成反比；基体中加 入第二相增强体（纤维、晶须、颗粒）可 提高韧性，但工艺复杂 成本高 难以均匀性 分布，但仿生结构设计将开辟陶瓷强韧化 的新纪元，颗粒的纳米化也是强韧的重要 途径。
陶瓷基复合材料增韧机制的研究现状及展望
陶瓷基复合材料增韧机制的研究现状及展望现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、耐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，几乎没有其他吸收能量的机制，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较强劲的竞争潜力。
一陶瓷基复合材料增韧技术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。
对于脆性集体和纤维来说，允许变形吸收的断裂能也很少。
为了提高这类材料的吸能，只能增加断裂表面，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剂之包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、相变增韧等。
能用于增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多，包括氧化铝系列（包括莫来石）、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纤维等，除了上述系列纤维外，目前正在开发的还有BN、TiC、B4C等复相纤维。
韩桂芳等用浆疗法结合真空浸渗工艺。
制备了二维石英纤维增强多孔Si3N4·2SiO2基复合材料，增加浸渗次数虽不能有效提高复合材料强度，但却使裂纹偏转因子变小，断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变，断口形貌由纤维成束拔出变成多级拔出。
尹洪峰等利用LPCVI技术制备了三维连续纤维增韧碳化硅基复合材料，实验表明复合材料界面相厚度为119mm时，体积密度为2101～2105g/cm3时，用碳纤维T300增韧后的复合材料的弯曲强度为459MPa，断裂韧性为2010MPa/m1/2，断裂功为25170J/m2.国外学者也研究了纤维增强陶瓷材料，并显著的提高了其断裂韧性。
陶瓷材料增韧机理的研究进展
过程中除了产生新的断裂表面需要吸收表面能以外 ，
几乎没有其他吸收能量的机制 ， 这就是陶瓷脆性的本
质原因。 为了改善陶瓷材料的脆性 ， 多年来各国相继
提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术 ， 通过在陶 瓷材 料 中添 加 增 强 相如 ＴＣ、ｉ ＴＢ Ｓ 。 ｉ ｉ ＴＮ、ｉ 、ｉ 、 Ｃ Ｃ Ｓ
Ｓ： 中 ｓ、 ｉ ｉ Ｎ原子被 Ａ 及 Ｏ原子置换所形成的一大 １ 来达到增韧的目的【６ 近年来 ， １］ Ｓ。 ， １ 原位增韧的方法又被
类固溶体的总称 ，因此也可以利用 ｓ 的这种相变 Ｃ Ｔ 超强的力学性能 ， Ｎ ｓ ｉ Ｎｓ Ｃ Ｔ 在拔出和断裂时 ， 都要 成功的应用于 — ｉ ｏ 陶瓷材料 ， Ｓ ｎ Ｍ 得到的 仪一 ｉｏ Ｓ ｌｎ ａ 材料所固有的高硬度。 马氏体相变【、 ｌ 铁弹相， 【等应力诱导相变可以 ７ 】 变 ８ １ 显著地增加陶瓷材料 的断裂韧性 。 最典型的是氧化 锆 ，ｒ ＺＯ 从高温到低温经历 ：（ Ｃ立方） ｔ四方） （ 一ｍ 度约为 Ｉ０ ￣（ Ｏ０ 升温时相变温度约为 １０ ￣） Ｃ １０ ，相变 Ｃ 速度快 ， 无扩散 ， 伴随着约 ０ ６的剪切应变和 ４ ． １ ％的 体积膨胀［。 １ 相变增韧 中引入的相变第二相一般是 四 ９ １ 方相的 ＺＯ 。经过 Ｌ ｎ ｅ ｒ２ ａｇ 等人对氧化锆陶瓷应力诱 发相变增韧的完善， 逐步形成了比较完整 的应力诱导 相变增韧机理。 目前提高应力诱导相变增韧的途径主 相变的四方相的体积分数 ；３ 增大相变区 ；４ 提高 （） （） 相变化学驱动力等。
裂韧性 。 随后 ， 材料工作者发现通过在陶瓷基体上
人为引入或原位生长出棒晶或片晶， 并相应增大其体
陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径
陶瓷材料的应用研究
在航空航天、能源、环保等领域，陶 瓷材料的应用已经取得了显著成果。
未来研究方向与挑战
深入研究陶瓷材料的脆性机制
开发新型增韧剂和制备技术
随着实验技术的不断发展，需要进一步揭 示陶瓷材料的脆性机制，为克服脆性提供 理论支持。
针对不同用领域，需要开发出新型的增 韧剂和制备技术，提高陶瓷材料的韧性和 可靠性。
纳米增韧
通过细化陶瓷材料的晶粒至纳米尺度，可以显著提高其韧性。
纳米晶粒具有高的晶界面积，可以有效地阻碍裂纹扩展，同时晶粒内部存在大量的位错等缺陷，也可以吸收能量。
05
案例分析
氧化铝陶瓷增韧案例
氧化铝陶瓷具有高硬度、高熔点、高绝缘性和化学稳 定性等优点，广泛应用于电子、机械、化工等领域。
然而，氧化铝陶瓷的脆性限制了其应用范围。
织构控制
通过控制材料的织构，使材料在受力时能够更好地承受和传递载荷， 提高材料的韧性和抗断裂能力。
表面处理与涂层技术
表面涂层
在陶瓷材料表面涂覆一 层韧性较好的材料，如 金属、高分子等，以提 高表面层的韧性和抗冲 击能力。
表面强化
通过表面热处理、离子 注入等方法对陶瓷材料 表面进行强化，提高表 面层的硬度和抗磨损能 力。
通过引入微裂纹，使材料在受力时产生更多的裂 纹扩展路径，消耗更多的能量，从而提高韧性。
制备工艺优化
烧结工艺优化
调整陶瓷材料的烧结工艺，如采用热压烧结、微波烧结等方法，提 高材料的致密度和均匀性，从而降低脆性。
晶粒细化
通过控制制备过程中的晶粒生长，获得细晶陶瓷材料，晶粒细化可 以减少裂纹扩展的通道，提高韧性。
氮化硅陶瓷增韧案例
氮化硅陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性 和高温稳定性等优点，广泛应用于机械密封、轴 承、切削工具等领域。然而，氮化硅陶瓷的脆性 限制了其应用范围。
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。
关于陶瓷材料的脆性问题
关于陶瓷材料的脆性问题一、本文概述陶瓷材料，作为一种历史悠久的工程材料，因其独特的物理和化学性质，如高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性等，在日常生活和工业生产中得到了广泛应用。
然而，陶瓷材料的脆性问题一直是制约其进一步发展和应用的关键因素。
本文旨在深入探讨陶瓷材料的脆性问题，分析其原因，并提出可能的解决方案。
我们将从陶瓷材料的晶体结构、制备工艺、微观组织、外部环境等多方面出发，全面分析陶瓷材料脆性产生的原因。
在此基础上，我们将进一步探讨如何通过改进制备工艺、优化材料设计、引入增韧机制等手段，提高陶瓷材料的抗脆性能力。
本文还将对陶瓷材料脆性问题的研究进展进行梳理，总结目前的研究现状和未来的发展趋势。
希望通过本文的研究，能够为陶瓷材料的应用和发展提供一些有益的参考和启示。
二、陶瓷材料的脆性特点陶瓷材料作为一种重要的工程材料，其脆性特点一直是其应用中的关键问题。
脆性，简单来说，是指材料在受到外力作用时，容易发生突然断裂而没有显著塑性变形的性质。
陶瓷材料的脆性特点主要体现在以下几个方面。
陶瓷材料具有高硬度，这使得其在抵抗刮擦和磨损方面表现出色。
然而，这种高硬度也导致了其脆性增加。
当受到冲击或压力时，陶瓷材料往往因为无法承受过大的应力而突然断裂，这使得其在某些需要承受冲击或振动的应用场景中表现不佳。
陶瓷材料的断裂方式通常为脆性断裂，即在断裂过程中没有显著的塑性变形。
这种断裂方式使得陶瓷材料在受到外力作用时，很难通过塑性变形来吸收能量，从而容易发生突然断裂。
陶瓷材料的脆性还与其内部微观结构有关。
陶瓷材料的微观结构往往存在许多晶界和缺陷，这些晶界和缺陷是应力集中的地方，容易引发断裂。
而且，陶瓷材料的断裂韧性通常较低，这意味着一旦开始断裂，其扩展速度非常快，很难阻止。
尽管陶瓷材料的脆性特点给其应用带来了一定的挑战，但通过合理的材料设计、工艺优化以及复合材料的开发等手段，可以在一定程度上改善其脆性，拓宽其应用范围。
脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状
响整个部件的正常工作 。同样 ,尽管可以畅想将 一些陶瓷部件用在发动机中取代金属部件大幅度 地提高热效率 ,但是在真正实施这一想法的过程 中 ,人们却变得十分谨慎 ,因为脆性的陶瓷材料能 否经受得住发动机工作时经常出现的急冷急热的 考验 ,目前仍然是一个令人忐忑不安的问题 。
因此 ,陶瓷的韧化成为陶瓷材料研究领域的 核心课题 。到目前为止 ,已经探索出若干种韧化 陶瓷的途径[3] ,并已收到了显著的韧化效果 ,与此 同时 ,对其韧化机理也进行了较深入探讨 。
陶瓷材料作为技术革命的新材料 ,早在十几 年前就引起了美国的关注 。近年来 ,由于日本 、美 国 、欧洲的竞相研究 ,陶瓷材料技术得到迅速发 展 。作为能适应各种环境的新型结构材料 ,陶瓷 材料已步入了实用化阶段 。为使陶瓷在更大范围 内达到实用化 ,还必须解决两大问题 ,一是陶瓷的 惰性 ,二是陶瓷的脆性 。只有改善陶瓷的破坏韧 性 ,才能实现材料的高强化 ,提高其加工性能和材 料表面抗损伤的能力 ,延长材料寿命 ,同时控制新 的破坏源的生成 ,进一步降低成本 。目前 ,科学家 们在如何改善陶瓷破坏韧性方面进行了广泛的研 究[1] 。
陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径
玻璃
石榴石，熔融ZrO2 碳化硅，碳化硼
无机材料物理性能
邓承继博士
31
静载压入的硬度方法
布氏硬度：适宜于金属材料中软及中硬 材料 维氏硬度：硬材料或者陶瓷材料 洛氏硬度：可以测量硬度的范围广泛， 可以适合多种材料，包括陶瓷材料
无机材料物理性能
邓承继博士
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材料的硬度的测量和应用
思考题 ZrO2增韧的机理和有关作用是什么? 复习有关例题 不用交 请同学们准备，将有期中考试，而且前 面二部分内容在期末考试不出现
无机材料物理性能
邓承继博士
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提高抗裂能力与预加应力
在材料表面预加压应力压，材料在断裂时 的应力断--拉应力，引起材料断裂的应力为： 压+ 断，提高材料抗断裂能力 实际是：玻璃钢化--安全玻璃，航空玻璃 Quenching method
无机材料物理性能
邓承继博士
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复合材料及其力学性能
复合材料的定义： Composites refer to a kind of material in which one phase or multi-phases reinforcements are embedded in a matrix. 复合材料的分类： 金属基复合材料，陶瓷基复合材料，高分子复 合材料，碳纤维复合材料
无机材料物理性能 邓承继博士 27
f
基体的断裂时应变是：
6010 m 0.020 3
3
由于 f<m，纤维先破坏。在纤维破坏时， 基体的强度是：
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陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径
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晶须(Whisker)：和理论强度在一个数量级 纤维(fiber)：低于理论强度一个数量级 单晶(Crystal)：接近理论强度 氧化铝：抗拉强度(GPa)，particle-0.28， fiber-2.1，whisker-21
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主裂纹尖端增韧作用区的控制原则
韧化作用区为陶瓷断裂韧性的提高做出 贡献的理论基础是，ZrO2弥散粒子由四 方相向单斜相转化引起的体积膨胀，以 及由之诱发的弹性压变能或激发产生的 微裂纹。因此，合理地控制ZrO2弥散粒 子的相变过程就能达到提高韧化效果的 目的
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E x a m p le s
P a rtic le
S iC , A l2O 3, B N , B 4C S iC , A l2O 3, A l 2 O 3 + S iO 2 , B 4C S iC , A l 2 O 3 , C , B, W
S h o rt fib e r o r ~ 1 0 -1 0 0 0 w h is k e r C o n tin u o u s fib e r > 1000
0 .1 -2 5
3 -1 5 0
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复合材料科学中一个重要方向是：根据 材料的性能设计材料的成分、结构，通 过合适方法获得具有所需要性能的复合 材料
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复合材料的力学性能
复合材料的力学性能符合材料的力学性 能的基本规律，是以基本的力学公式为 基础推导的 具体的推导采用我们已经介绍的串并联 模型或者方法处理，下面以例题为例
【精品文章】陶瓷材料的脆性的解决途径
陶瓷材料的脆性的解决途径
众所周知，陶瓷材料均有一个致命的共同缺陷--“脆性”。
陶瓷材料的脆性是物质的化学键合性质和它的显微结构所决定的，是陶瓷材料与生俱来的特性。
下文将与大家一起探讨陶瓷材料的脆性及改善方法。
一、陶瓷为啥会“脆”呢？
陶瓷材料都是由离子键或共价键所组成的多晶结构，它缺乏能促使材料变形的滑移系统。
且其制备过程中不可避免的在材料表面残留微缺陷，这些缺陷均有可能构成裂纹源，材料一旦受到外加的负荷，应力就会在这些裂纹的尖端集中。
在陶瓷材料中若没有其他可以消耗外来能量的系统，便只有以新的自由能予以交换。
所谓新的自由能就是裂纹尖端的扩展所形成的新的表面所吸收的能量，这样的结果就造成裂纹的快速扩展而表现为所谓脆性断裂。
家用陶瓷刀又快又锋利，但也很脆，
特别是有喜欢用来剁鸡，剁骨头，剁榴莲的，
小手一剁，几百大洋就没了！
二、如何改善陶瓷的脆性？
陶瓷材料的脆性在很大程度上影响了材料性能的可靠性和一致性，因此研究陶瓷材料的脆性问题，并提出改善它的有效途径是许多陶瓷材料研究人员的重点工作，从陶瓷材料脆性的基础认识研究到有效改善途径的实施，首先是材料中弱界面的建立，诸如纤维补强陶瓷基复合材料、复相陶瓷材料、自增韧陶瓷材料、叠层复合材料、陶瓷材料的晶界应力设计。
还有氧化锆增韧陶瓷材料、功能梯度材料、纳米陶瓷材料等都是行之有效。
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收稿日期 :2007211228 作者简介 :张光磊 ,男 ,1975 年生 ,博士 、副教授 ,主要从事功能陶瓷材料的研究 。
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材 料 开 发 与 应 用 2008 年 4 月
在理论上证明是可行的 ,对于不能依靠塑性变形 的脆性材料是一个重要机理[8] 。 2. 1 相变增韧
料发展很快 ,并取得很好的韧化效果 。陶瓷晶须 的宏观形态与粉末一样 ,因此制备复合材料时 ,无 需短纤维复合材料制备中的纤维切短工序 ,直接 将晶须分散后与基体粉末混合均匀即可 。混合好 的粉末同样用热压烧结的方法 ,即可制得致密的 晶须增韧陶瓷基复合材料 。陶瓷晶须除目前常用 的 SiC 晶须[18 ] 外 , Si3 N4 晶须[19 ] 和 Al2 O3 晶须也 开 始 用 于 陶 瓷 基 复 合 材 料 。基 体 常 用 的 有 Al2 O3 [20 ] 、ZrO2 、Si3 N4 和莫来石等 。
陶瓷材料作为技术革命的新材料 ,早在十几 年前就引起了美国的关注 。近年来 ,由于日本 、美 国 、欧洲的竞相研究 ,陶瓷材料技术得到迅速发 展 。作为能适应各种环境的新型结构材料 ,陶瓷 材料已步入了实用化阶段 。为使陶瓷在更大范围 内达到实用化 ,还必须解决两大问题 ,一是陶瓷的 惰性 ,二是陶瓷的脆性 。只有改善陶瓷的破坏韧 性 ,才能实现材料的高强化 ,提高其加工性能和材 料表面抗损伤的能力 ,延长材料寿命 ,同时控制新 的破坏源的生成 ,进一步降低成本 。目前 ,科学家 们在如何改善陶瓷破坏韧性方面进行了广泛的研 究[1] 。
实际上 ,上式中的转变是 t2ZrO2 在冷却过程 中大约 950 ℃的温度下发生的 ,它具有变温马氏 体相变特征 ,相变过程为非热过程 ,同时 ,相变过 程中伴随有大约 0. 16 的剪切应变及 7 %的体积 膨胀 。如果通过成分控制和热处理获得 t2ZrO2 相 ,并使 t2ZrO2 相镶嵌在其它基体材料中 ,则周 围基质对 t →m 相变体积膨胀和形状改变起着约 束作用 。在基质的约束下 ,t2ZrO2 相便有可能被 保存至室温或更低温度 。被约束的 t2ZrO2 相在 以下两种情况可发生 t →m 转变 ,提高材料的断 裂韧性[11 ] 。
响整个部件的正常工作 。同样 ,尽管可以畅想将 一些陶瓷部件用在发动机中取代金属部件大幅度 地提高热效率 ,但是在真正实施这一想法的过程 中 ,人们却变得十分谨慎 ,因为脆性的陶瓷材料能 否经受得住发动机工作时经常出现的急冷急热的 考验 ,目前仍然是一个令人忐忑不安的问题 。
因此 ,陶瓷的韧化成为陶瓷材料研究领域的 核心课题 。到目前为止 ,已经探索出若干种韧化 陶瓷的途径[3] ,并已收到了显著的韧化效果 ,与此 同时 ,对其韧化机理也进行了较深入探讨 。
摘 要 :从陶瓷断裂的基本理论入手 ,对比了相变增韧 、微裂纹增韧 、纤维增韧和纳米颗粒增韧等技术应用到陶 瓷领域的增韧机理及其实施方法 ,举例阐述了这些增韧方法的应用 ,并对其发展前景进行了展望 。 关键词 :脆性陶瓷 ;增韧 ;机理 ;应用 中图分类号 : TQ 174. 1 文献标识码 :A
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[17] 。因此 ,近年 来使用晶须代替短纤维的晶须增韧陶瓷基复合材
第 23 卷第 2 期 张光磊等 :脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状 ·79 ·
当所用的颗粒为 SiC、TiC 等时 ,基体材料研 究最多的是价格便宜而使用最广泛的 Al2 O3 、 Si3 N4 [25 ] 等 。这些复合材料已被用来制作陶瓷刀 具。
颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有 细化基体晶粒 、裂纹转向与分叉等[26] 。 2. 3 纳米复合陶瓷增韧
纳米复合陶瓷是指第二相纳米颗粒以某种方 式弥散于陶瓷主相中而形成的一种纳米复合材 料[27] 。在纳米复合陶瓷中 ,纳米粒子以两种方式 存在 ,一是分布在基质的晶界 ,即所谓“晶界型”或 “晶间型”(intergranular) ; 二是分布在基质晶粒 内部 ,即所谓“晶内型”或“内晶型”(int ragranu2 lar) 。 2. 3. 1 “内晶型”韧化
在陶瓷材料中加入纤维[14] 来改善陶瓷材料 的脆性 ,增强陶瓷材料的韧度和强度 ,包括长纤维 增韧 、短纤维增韧 、晶须及颗粒增韧等 。 2. 2. 1 长纤维增韧
单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向 异性 ,即沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于 横向性能 。这种纤维的定向排布是根据实际构件 的使用要求确定的 ,即主要使用其纵向性能 。在 单向排布长纤维陶瓷基复合材料中 ,韧性的提高 来自 3 方面的贡献 ,即纤维拔出 、纤维断裂及裂纹 转向[15 ] 。
焦绥隆等认为 ,陶瓷材料由纯基体的沿晶断 裂转化为纳米复合后的以穿晶断裂为主 ,断裂模 式的改变是增韧补强的主要原因 ,这一点与新原 皓一的观点基本吻合 。他们的分歧在于 ,焦认为 对改变断裂模式起主要作用的不是晶内纳米相 , 而是晶界上的纳米粒子 。在对 Ab2SiC 陶瓷进行 压痕引入裂纹 ,利用 SEM 、T EM 观察裂纹扩展情 况后 ,焦提出“晶界型”结构强韧化机理 : (1) 主晶 界被纳米粒子局部强化 。纳米相与基质产生良好 的结合 ,纳米粒子有固定晶界 、强化晶界的作用 。 (2) 晶界纳米粒子对裂纹的“钉扎”和偏折作用 。 由于热膨胀系数和弹性模量不同 ,基体对晶界上 的纳米粒子的径向压应力产生“虎钳”作用 ,使沿 主晶界扩展的裂纹遇纳米粒子后发生“钉扎”,然 后在更大的外力作用下使裂纹偏折进入晶内 ,形 成穿晶断裂 。(3) 晶界纳米粒子形成有利的应力 分布 。当纳米相的弹性模量大于基质的时 ,纳米 粒子周围形成切向压应力 ,使得朝向纳米粒子扩 展的主裂纹尖端远离该粒子所在晶界而向晶内挺 进 ,并增加了裂纹扩展路径 。
相变增韧有如下特征 :无热相变 、热滞现象 , 即相变发生在一定温度范围内 ; 相变过程有 4 % 的体积变化及 0. 16 的剪切应变 ;相变无扩散反应 发生 ;相变温度受晶粒尺寸的影响 ,颗粒越小相变 温度越低 ;添加稳定剂可以抑制相变 ;相变受外力
作用的影响 ,Whit ney 的热力学计算表明 ,在大于 或等于 3700 M Pa 的压力下 ,四方相可以维持到 室温[13 ] 。 2. 2 纤维增韧
新原皓一等首先提出了“内晶型”纳米相韧化
的主要原因 ,认为纳米复合陶瓷强韧性的提高主 要是通过“内晶型”结构的以下效应而发挥作用 : (1)“内晶型”结构导致“纳米化效应”。纳米粒子 进入微米级基质颗粒之后 ,在基体晶粒内部产生 大量次界面和微裂纹 ,引起基体颗粒的潜在分化 , 相当于组织的再细化 ,使得主晶界的作用被削弱 。 (2) 诱发穿晶粒断裂 。由于纳米化效应使晶粒内 部产生微裂纹 ,当纳米粒子与基质晶粒的热膨胀 失配和弹性失配造成纳米相周围产生局部拉应力 时 ,就会引起穿晶断裂 。(3) 纳米粒子使裂纹二次 偏折 。沿晶内微裂纹或次界面扩展的主裂纹前端 遇到纳米粒子后 ,无法穿过而发生偏转 ,耗散了断 裂能量[28 ] 。 2. 3. 2 “晶界型”韧化
要提高作为裂纹扩展抗力的韧性 ,需要缓和 裂纹尖端的应力集中 ,增大断裂所需的能[4] 。对 于除高温以外无法依靠塑性变形的陶瓷 ,其断裂 机理有以下几种 :相变 、显微裂化 、裂纹弯曲 、裂 纹转向 、拉脱 、桥接效应[5] 和残留应变能效应 。相 变仅适用于氧化锆等有限的材料 ,因此 ,显微裂 化 、裂纹弯曲和裂纹转向便成为含粒子分散系的 陶瓷烧结体的重要强韧化机理[6] 。虽然相变以外 的机理也起作用 ,但各种机理所起的作用尚不能 定量表达 。拉脱和桥接效应可望通过晶须和粒子 分散实现复合化 ,也可认为与晶须等引起的裂纹 弯曲 、转向等有关联[7] 。裂纹弯曲 、转向是局部不 均匀的裂纹 ,可理解为显微裂纹的形成2扩展 ,也 可认为包含显微裂化 。残留应变能效应可以缓和 显微裂纹形成的主裂纹应力集中 ,进而提高韧性 ,
SiC 晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机理 大体与纤维增韧陶瓷基复合材料相同 ,即主要依 靠晶须的拔出桥接与裂纹转向机制对强度和韧性 的提高产生突出贡献[21 ] 。 2. 2. 4 颗粒增韧陶瓷[22 ] 基复合材料
晶须与短纤维类似 ,具有一定的长径比 ,因此 在复合材料的制备过程中 ,当晶须含量较高时 ,由 于其桥接效应而使致密化变得困难 ,从而引起密 度下降 ,性能下降 。而用颗粒作为增韧剂制作颗 粒增韧陶瓷基复合材料 ,其原料混合均匀化及烧 结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易 行[23] 。因此 ,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤 维增韧 ,但如果颗粒种类 、粒径 、含量及基体材料 选择得当仍有一定的韧化效果 ,同时会带来高温 强度 、高温蠕变性能的改善 。所以 ,颗粒增韧陶瓷 基复合材料同样受到重视 ,并开展了有效的工 作[24 ] 。
(1) 在外加应力的作用下 , t2ZrO2 相周围的 约束力被解除 ,这时便产生 t →m 相变 ,并在裂纹 端部产生压应力场 ,使主裂纹闭合 ,从而提高材料 的断裂韧性 。这就是 ZrO2 陶瓷的应力诱导相变 增韧 。
(2) 当材料冷却到室温时 , t2ZrO2 相自发地 产生马氏体相变 ,并产生许多微裂纹 。如果微裂 纹处于主裂纹前端的作用区 ,则由于它们的延伸 释放了主裂纹的部分应变能 ,增加了主裂纹扩展 所需能量 ,从而有效地抑制了裂纹的扩展 ,提高了 材料的断裂韧性 。材料的弹性应变能主要将转化 为微裂纹的新表面能 。这就是 ZrO2 陶瓷的相变 诱导微裂纹增韧[12 ] 。