陶瓷增韧方法及其研究进展全解
氧化锆增韧氧化铝陶瓷的研究进展
氧化铝陶瓷具有优良的化学稳定性、机械性能以及电性能，在陶瓷材料中属于应用十分广泛的类型，但是其断裂韧性仅在2.5MPa ·m 1/2～4.5MPa ·m 1/2，所以其应用范围的拓展受到严重限制，由此，提升氧化铝陶瓷的断裂韧性成为行业内的研究重点之一。
当前可以应用于其中的方法较多，主要包括引入第二相、加入Al 2O 3籽晶和形成缺陷分布三种方式，从整体上来看，应用价值最高的方式为氧化锆增韧，即采用机械混合法、溶胶-凝胶法等方式，将氧化锆复合于氧化铝粉体中，再进行相应的处理，可以获取氧化铝陶瓷，使氧化锆晶粒可填充与氧化铝晶界处，从而起到提升氧化铝陶瓷断裂韧性的作用，也就可以进一步提升氧化锆增韧氧化铝陶瓷的使用效果和使用价值。
氧化锆增韧氧化铝陶瓷也可被称为ZTA 陶瓷，其熔点高、硬度高，并且耐酸碱腐蚀，同时具有韧性较强的优势，属于高温结构陶瓷中具有较大应用潜力的一类。
其中的氧化锆含量在10%～20%之间时，可以起到抑制晶体生长氧化铝酸性的作用，也就可以起到提升材料硬度的作用。
特别是若氧化锆含量处于12%～14%之间时，ZTA 陶瓷的硬度和强度均能上升至最大值，如果氧化锆粉末含量为20%，并且其呈高度分散状态，经过热压烧结处理以后，ZTA陶瓷的机械性能将达到最好状态。
对陶瓷断裂韧性产生影响的因素可以通过公式（1）进行体现：（1）在公式（1）当中，为陶瓷材料断裂韧性，其与弹性模量E、泊松比v 以及断裂表面能均具有密切关联性，弹性模量以及泊松比均属于非显微结构敏感参数，所以需要借助提升断裂表面能的方式提升材料断裂韧性。
而能够影响陶瓷材料表面的因素较多，主要包括热力学自由表面能、内应力与裂纹、气孔、塑性形变、相变、晶粒尺寸等多个方面。
从断裂力学的视角来看，可以采用增加自由表面能的方式，促使新生表面形成，同时也可起到缩减晶粒尺寸、缩减气孔率的作用，还可应用适当的应力促进相变，并形成微裂纹，从而起到提升陶瓷材料断裂韧性的作用。
陶瓷材料相变增韧的原理
陶瓷材料相变增韧的原理
陶瓷材料的相变增韧主要是通过晶体结构的相变来实现的。
具体原理如下：
1. 相变：陶瓷材料在某个温度范围内会发生晶体结构的相变。
相变可以使材料的结构变得更加复杂，同时也会引入一定的缺陷，如晶界、孪生和位错等。
2. 形成裂纹桥：在陶瓷材料中，裂纹是主要的断裂路径。
当材料中存在缺陷时（如晶界、孪生和位错），在外力的作用下，裂纹会被这些缺陷所吸引，从而沿着这些缺陷传播。
当裂纹遇到晶界或位错时，它可能会停止或改变方向，形成裂纹桥。
3. 物理/化学效应：相变会引起陶瓷材料的物理和化学性质的变化，从而影响裂纹的传播。
常见的相变增韧机制包括晶界化学反应、位错锁结和晶界弥散效应等。
这些效应可以增加材料的韧性和断裂韧度。
总的来说，相变增韧可以通过引入缺陷来改变材料的断裂路径，从而提高材料的韧性和抗断裂性能。
这种机制对于提高陶瓷材料的应用性能具有重要意义。
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。
氮化硅陶瓷增韧调研报告
氮化硅陶瓷增韧调研报告1、前言氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷，具有良好的室温及高温机械性能，强度高，耐磨蚀，抗热震能力强，抗化学腐蚀，低导热系数，密度相对较小，是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料，亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料，近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。
但是，已有的研究对氮化硅陶瓷的脆性缺陷仍未获得彻底改善，从而大大限制了它的实际应用。
如何提高氮化硅韧性仍是人们研究的焦点。
目前从事氮化硅陶瓷研究的学者为了提高其韧性，主要从两大方面着手进行韧性改善。
一是通过进行“显微结构设计”来提高氮化硅陶瓷的韧性。
即降低气孔的含量，控制杂质的含量，提高氮化硅陶瓷的密度、纯度；对氮硅陶瓷的晶型、晶粒尺寸、发育完整程度进行控制；对晶界的大小、材质进行调控；对玻璃相的数量、性质、分布状态等进行控制，以求在烧结后获得最佳韧性的显微组织，从而提高氮化硅陶瓷的韧性【1】。
二是在上述基础上开展的“晶界工程”研究。
氮化硅陶瓷常以多晶陶瓷的形式出现，而对多晶材料而言，当晶体较小为微米或纳米级时，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学性能等的一个极其重要的因素。
对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度，尤其是晶界高温强度是决定其能否作为高温工程材料运用的关键。
氮化硅是强共价键化合物，其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小，同时它的晶界能V gb与粉末表面能V sv的比值(V gb/ V sv) 比离子化合物和金属要大得多，使得烧结驱动力Δv 较小，决定了纯氮化硅无法靠常规的固相烧结达到致密化，必须加入少量氧化物烧结助剂，在高温烧结过程中它们与氮化硅表面SiO2反应形成液相，通过液相烧结成致密体，冷却后该液相呈玻璃态存在于晶界。
而此玻璃相的性能在很大程度上决定了氮化硅陶瓷材料的性能。
为了提高氮化硅陶瓷的高温性能，人们对玻璃晶界结晶化进行了大量的研究工作，称之为“晶界工程”【2】。
【精品文章】一文认识氧化锆陶瓷的增韧方法及应用
一文认识氧化锆陶瓷的增韧方法及应用
氧化锆陶瓷是具有独特的物理和化学性质，如高硬度，低的热传导性，熔点高，抗高温和腐蚀，化学惰性和两性性质，在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面的应用迅速发展。
作为特种陶瓷材料在电子、航天、航空和核工业等高新技术领域具有广阔的应用前景。
然而氧化锆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其应用范围。
只有改善氧化锆陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使氧化锆陶瓷真正地成为一种广泛应用的新型材料，因此，氧化锆陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。
一、陶瓷的增韧方法
目前，陶瓷的增韧方法主要有：相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米增韧等。
1、相变增韧
相变增韧是指亚稳定四方相t—ZrO2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。
此外，外界条件（如激光冲击、疲劳断裂韧性、低温、晶粒尺寸和含量、临界转变能量等）对氧化锆陶瓷相变增韧有很大的影响，如果相变产生大的应力和体积变化，则产品容易断裂，因此生产过程中，应避免外界因素对氧化锆陶瓷相变增韧的影响。
2、颗粒增韧
颗粒增韧是指用颗粒做增韧剂，添加入ZrO2陶瓷粉体中，尽管效果不及晶须与纤维，但若颗粒种类、粒径、含量和基体材料选择得当，仍有一定。
陶瓷材料相转变增韧的研究进展
Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔｒ ｎｓ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ Ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｆＣｅ ａ ｉ ａ ｅ ｉ ｌ ｏ ｒ ｓ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ａ ｆ ｒ ｔｏ ｕ ｈ ｎ ｎｇ ｏ ｒ ｍ ｃ Ｍ ｔ ｒ ａ ｓ
维普资讯
陶瓷 材料相 转 变增韧 的研 究进展 ／ 宋顺林 等
・ ９ ３１ ・
陶瓷 材 料相 转 变 增韧 的研 究进 展
宋顺林 ， 王志宏 ， 王汝娜 ， 高旭 东
（ 北京 工业 大学材料 科学与２ 程学院 ， １ ２ 北京 １０ ２ ） ０ ０ ２
机理 主要包 括相转变增 韧 、 维和晶须增韧 、 纤 颗粒 弥散增韧 、 自
进入含有 ｔ ｒ ￣晶粒 的区域时 ， Ｚ Ｏ 在 裂纹尖端应力 场的作 －Ｏ Ｚ ｔ ｒｚ －
用下 ， 转变成 ｍ－ｒ ， 而耗 散部 分能 量 ， ＺＯ 从 同时 引起 ３ ～ ５
的体积膨胀 ， 碍裂 纹扩展 ＿ 。伴 随体积 膨胀 产生 的微 裂纹 阻 １ ］ 也将起到分散基体 中主裂纹 尖端能 量的作用 ， 并导 致 主裂纹 扩
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ Ｉ ｈｓｐ ｐ ｒ ｔｅｃ ｒｅ ｔｓｕ ｙｏ ｅａ ｃ ｏ ｇ ｅ ｅ ｙｔａ ｓｏ ｍａｉｎ ｉ ｂ ｉｆｙｒ ｖｅ ｄ ｉｃｕ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｈ ｕ ｒ ｎ ｔ ｄ ｆｃ ｒｍｉｓｔ ｕ ｈ ｎ ｄ ｂ ｒｎ ｆ ｒ ｔ ｓ ｒ ｌ ｅ ｉｗｅ ｗｏ ｄｓ
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Ｏ 引 言
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。
SiC陶瓷增韧的研究进展
ｓｎ ｙ ａ ｅ ｌ ｉ ｄ ｂ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈ ｒｔ ｌｎ ｓ ｆ Ｓ Ｃ ｅ ａ ｃ ． Ｔｈ ｒ ｆ ｒ ， ｈ ｏ ｇ ｅ ｉｇ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆ Ｓ Ｃ ｉ ｒ — ｉ ｇ ｗａ ｒ ｉ ｔ ｅ ａ ｓ ｆ ｔ ｅ ｂ ｉ ｅ ｅ ｓ ｏ ｉ ｃ ｒ ｍｉｓ ｍ ｅ ｔ ｅｅｏ ｅ ｔ ｅ ｔｕ ｈ ｎｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｉ ｓ ｅ ｓ ａ ｃ ｅ ｎ ｅ ｅｖ ｓ ｇ ｅ ｔ ｆｅ ｔ Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｔ ｅ ｔ ｕ ｈ ｎ ｎ ｅ ｈ ｎ ｓ ａ ｄ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｉ ｃ ｎ ｃ ｒ ｉ ｅｃ ｒ ｍｉｓａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ａ ｄ ｉ ｒ ｃ ｉ ｅ ｒ ａ ｆ ｃ、 ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｈ ｏ ｇ ｅ ｉ ｇｍ ｃ ａ ｉｍ ｎ ｔ ｏ ｆｓｌ ｏ ａ ｂ ｄ ｅ ａ ｃ ｒ ｔ ｅ ｉ
Ｆｉ． Ｓ ｅｃ ｆｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ｃ ｒｄ ｉ ｇ ｇ１ ｋ ｔ ｈ ｏ ｃ ａ ｉｍ ｆｃ ａ ｋ ｂ ｉ ｇ ｎ
进 行 增 韧 补 强 成 为 一 个 重 要 的研 究 方 向 ， 到 国 内外 的 广 泛 关 得 注 ， 取 得 了一 定 的研 究 进 展 。本 文 对 这 方 面 的 研 究 进 展 作 了 并
综述 ， 并介绍 了主要 的增韧方法及其机理 。
图 １ 裂 纹 桥联 机理 示 意 图
ｃ ｍｐ ｓ ｔ ｏ ｇ ｅ ｅ ． ｏ ｏ ｉ ｔ ｕ ｈ ｎ ｄ ｅ
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ
ｓｌ ｏ ａ ｂｄ ｅａ ｃ ，ｏ ｇ ｅ ｉｇｍ ｅｈ ｎｓ ，ｏ ｇ ｅ ｉｇｍ ｅｈ ｄ ｉ ｃｎ ｃ ｒ ｉｅｃｒ ｍｉｓ ｔ ｕ ｈ ｎｎ ｃ ａ ｉ ｔ ｕ ｈ ｎｎ ｔ ｏ ｉ ｍ
Ｎａ ＯＨ等碱溶液侵蚀 。同时 ，ｉ ＳＣ具有半 导体性 ， 少量 杂质 的引
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。
层状复合陶瓷的增韧与设计研究
196智能制造NO.02 2020智能城市 INTELLIGENT CITY层状复合陶瓷的增韧与设计研究玄伟建（淄博市新材料研究所，山东 淄博 255000）摘 要：高性能结构的陶瓷具有强度高、硬度高、耐高温和耐化学腐蚀、耐磨损能力强的特点，目前该类陶瓷已被广泛地应用到了航天航空、能源、机械生产、汽车等领域中，但是因为陶瓷材料容易出现脆性断裂而影响使用的可靠安全性，所以还应该加强对其韧性提升的研究以扩大陶瓷的使用范围。
层状复合陶瓷是近几年出现的经过增强增韧的陶瓷种类，在原本脆性陶瓷中加入了软质耐高温材料，属于仿生材料，可提高材料的抗断裂能力、强度等。
鉴于此，文章将在分析层状复合陶瓷增韧机理及其结构设计的基础上，简要分析该类陶瓷的成型制备工艺，然后对目前在增韧和设计、成型中存在的问题进行探讨并提出针对性的解决建议。
关键词：层状复合陶瓷；增韧；结构设计；成型制备工艺；问题和解决1 层状复合陶瓷增韧机理与传统强韧机制不同，层状复合陶瓷增韧机理是依靠对能量的吸收和耗散，可减少材料力学性能对裂纹等缺陷的敏感性，从而提升材料的抗断裂性能。
不仅解决了增韧效果受工作环境限制的影响问题，而且抗断裂的能力也大大提高。
1.1 弱夹层裂纹偏转增韧通过引入弱夹层的方式来实现裂纹偏转增韧，同时可提高抗剪切能力。
在含有弱界面的层状复合材料受到荷载作用力以后，裂纹达到和单相材料中临界裂纹一样的应力强度后裂纹扩展，裂纹达到弱结合界面后会出现微裂纹，并沿着弱界面出现偏转、分层，扩大了裂纹扩散的范围，使能量得到充分释放，从而达到增韧的效果。
利用该增韧机理时，以石墨、BN构成弱夹层，然后再采用流延法、注浆法、热压法等制备工艺形成层状复合陶瓷，该类陶瓷材料的韧性得到了明显提升。
1.2 延性夹层裂纹桥联增韧延性夹层的主要材料是金属或延性树脂，一般以连续层状的形式出现，利用了延性层的塑性变形来吸收和耗散能量，并形成裂纹桥联避免裂纹的扩散，可在很大限度上提升材料的韧性。
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.
5.2 氧化锆陶瓷(氧化锆增韧陶瓷)解析
2. ZrO2功能陶瓷
Y2O3的ZrO2陶瓷具有敏感的电性能，是近几年来发展的新材料，主要 应用于各种传感器、第三代燃料电池和高温发热体等。而且ZrO2材料 高温下具有导电性及晶体结构存在氧离子缺位的特性，可制成各种功 能元件。
（1）氧传感器。传感器主要用于工业生产、监控、品质检验，用来提高 设备的自动化程度，提高产品的性能。目前氧化锆传感器已大量应用 于钢铁制造过程中，用来测量熔融钢水及加热炉所排放气体的含氧量， 从而了解钢铁制造过程中钢铁的品质是否达到标准。
ZrO2陶瓷成型可采用注浆法或干压法成型。注浆成型时，可向ZrO2 细粉中加入少量的阿拉伯树胶（浓度为10%的约7%）和20%左右的 蒸馏水，具有良好的注浆性能浆料。
采用热压法可制得透明ZrO2陶瓷。烧成温度为1650~1800℃ ，保温 2~4小时。
部分PSZ材料的强度和断裂韧性
稳定剂成分
氧化锆陶瓷材料具有高强度、高韧性、耐高温及耐磨损、 抗腐蚀等优点，用在冷却风扇轴承系统，制得的氧化锆 轴心，在噪音稳定性、耐磨性、使用寿命等方面均优于 传统轴心。该轴心主要用于电脑机壳散热器和中央处理 器（CPU）的微型散热风扇上。2003年夏季，台湾电脑 公司富士康率先推出了采用这种陶瓷轴承系列电脑散热 风扇。
（3）抗热震性：氧化锆增韧陶瓷材料在热机、航天等领域使用时 对抗热震性要求较高，目前氧化锆增韧陶瓷材料尚不能达到这 一要求。只有解决了抗热震性问题，氧化锆增韧陶瓷材料的优 势才能在这一领域得到发挥。
（4）协同增韧：未来氧化锆增韧陶瓷材料将是多种增韧机理共同 起作用的结果，因此相变增韧机理与其它机理间的交互作用， 以及各种机理间产生协同增韧效应的条件，也将是未来的主要 研究方向之一。
三、 ZrO2陶瓷制造工艺
Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化技术的研究进展
Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化技术的研究进展Ti(C,N)基金属陶瓷是一种非常具有发展前景和应用价值的新型材料，其独特的性能和优势使得其在诸多领域均有广泛的应用前景。
其中，它的强韧化技术是关键之一，对于其在工业应用领域的推广具有非常重要的作用。
本文通过综合分析相关文献资料，介绍Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化技术的研究进展。
一、Ti(C,N)基金属陶瓷的概述Ti(C,N)基金属陶瓷是一种由钛、碳、氮等原子组成的高强度、高韧性、高温稳定性的新材料。
它具有金属的韧性和殊高的硬度和耐磨性，同时还具有陶瓷的高温、高硬度、高耐腐蚀性的优异性能，是一种典型的“金属+陶瓷”复合材料。
由于其优良的性能，Ti(C,N)基金属陶瓷在航空航天、汽车、船舶、刀具、模具等领域有着广泛的应用。
二、Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及其烧结机制Ti(C,N)基金属陶瓷的制备通常采用粉末冶金法，包括机械合金化和热处理等步骤。
在粉末冶金法中，首先将Ti、C、N 等原料粉末混合，并经过球磨等方法进行机械合金化，再经高温反应制备出Ti(C,N)相的颗粒。
最后，通过热压或等离子烧结等高温处理技术使得颗粒粘结，形成致密的Ti(C,N)基金属陶瓷材料。
Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结是其制备中的重点、难点之一。
近年来，烧结参数的优化和机理的研究对Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧化优化起到了重要作用。
烧结温度、压力、时间、脱氧剂等因素均会影响烧结过程中晶粒的生长和相界面的稳定性，进而影响材料的力学性能和热学性能。
三、Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧化机制Ti(C,N)基金属陶瓷具有良好的高温和高强度等优越性能，但其低韧性是限制其广泛应用的主要困难。
因此，强韧化成为了目前Ti(C,N)基金属陶瓷研究的主要方向之一。
主要强韧化机制为韧性增散机制和图案转化机制：（1）韧性增散机制韧性增散机制是指通过向Ti(C,N)基金属陶瓷中添加少量的可溶性增散相（如Ni、Fe、Co 等）以调节晶界能量，减缓晶粒生长速率，从而增加Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性。
什么是陶瓷纤维增强复合材料的增韧其方法有哪些？
什么是陶瓷纤维增强复合材料的增韧其方法有哪些？引言陶瓷纤维增强复合材料是一种高性能材料，其具有优异的耐高温、耐磨损和耐腐蚀等特性。
然而，由于其脆性和缺乏韧性，陶瓷纤维增强复合材料在某些应用中容易发生断裂。
因此，如何增强陶瓷纤维增强复合材料的韧性成为了一个重要的研究领域。
增韧方法1.纤维设置改变纤维的布置方式可以提高陶瓷纤维增强复合材料的韧性。
常见的布置方式包括单向排列、交叉层间排列和环向排列等。
通过合理选择纤维布置方式，可以增加材料的断裂韧度和抗冲击能力。
2.界面改性界面改性是通过在纤维和基质之间引入中间层或者涂覆剂来增强纤维与基质的结合强度。
这样可以减少纤维与基质之间的应力集中现象，提高材料的断裂韧度和层间剪切强度。
3.纤维改性纤维表面改性是通过在纤维表面涂覆有机或无机化学物质来增强纤维的界面结合能力。
这可以提高纤维与基质之间的相互作用力，增强材料的断裂韧度和层间剪切强度。
4.基质改性基质改性是通过在基质中添加增韧剂来提高材料的断裂韧度。
常用的增韧剂包括纳米颗粒、纳米纤维和聚合物等。
这些增韧剂可以有效地分散在基质中，增加材料的吸收能量和延展性。
5.多层结构设计多层结构设计是通过在陶瓷纤维增强复合材料中设置多层薄片或者界面层来增强材料的韧性。
不同层之间的断裂能量耗散和应力转移作用可以提高材料的断裂韧度和抗冲击性能。
6.界面剪切界面剪切是通过引入界面微动来增强陶瓷纤维增强复合材料的韧性。
通过调整纤维和基质之间的界面剪切应力分布，可以增加材料的断裂韧度和延展性。
结论陶瓷纤维增强复合材料是一种高性能材料，但其脆性和缺乏韧性限制了其在某些应用中的使用。
通过纤维设置、界面改性、纤维改性、基质改性、多层结构设计和界面剪切等方法，可以增强陶瓷纤维增强复合材料的韧性，提高其在各个领域的应用潜力。
以上是对陶瓷纤维增强复合材料增韧方法的简要介绍，希望对您有所帮助。
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。
碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望
碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望
碳化硼陶瓷具有高硬度、高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点，是一种重要的结构材料。
但其本身的脆性限制了其应用范围。
为了提高碳化硼陶瓷的韧性和致密度，研究人员采用了多种方法进行增韧和补强，目前已取得了一系列进展。
1.纳米晶：纳米晶材料可以提高材料强度和韧性，可以大幅度降低材料的脆性，同时极大地提高材料的耐磨性和抗腐蚀性。
纳米晶碳化硼陶瓷的强度可以达到10GPa以上，而且其韧性也比传统碳化硼陶瓷高。
2.增韧剂：常用的增韧剂有氧化铝、氮化硅、碳等，这些增韧剂可以通过控制络合反应、晶格匹配等机理使其与基体产生协同效应，提高材料的强度和韧性。
3.纤维增强：纤维增强技术是一种有效的增强手段。
已经研究出了碳纤维增强和SiC纤维增强碳化硼陶瓷，可以提高其力学性能和韧性。
4.混合成型：混合成型是将不同颗粒形状、大小、化学组成的原料混合起来，再进行烧结成型。
混合成型可以通过改变组成、晶粒组织和脆性相分布来提高材料的韧性和强度。
5.涂层技术：在碳化硼陶瓷表面增加铜、钛、NbC等材料的镀层可以有效地提高碳化硼陶瓷的抗压强度和韧性。
总之，碳化硼陶瓷的增韧和补强技术已经取得了很大进展，未来的研究方向是进一步探索新的增韧剂、提高制备工艺、改善材料微观结构、研究材料在高温和复杂环境下的性能等。
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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。
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
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： 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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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
陶瓷增韧
增韧方法
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！
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。 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
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。
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。
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。