陶瓷增韧机理

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陶瓷增韧机理

陶瓷作业姓名：王槐豪学号：1071900220 班级：0719201陶瓷韧化机理陶瓷最致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响陶瓷材料的应用范围。

只有改善陶瓷的断裂韧性，提高其可靠性和使用寿命，才能是陶瓷真正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。

陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，阻止间断裂纹的扩展的方法有三种。

其一为分散裂纹尖端应力；其二为消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；最后问转换裂纹扩展的能量。

相变韧化受相变诱发塑性钢，即TRIP (transformation induced plasticity)钢的启发，将ZrO 2 t →m 相变M s 点稳定到比室温稍低，而M d 点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生t →m 相变，由于相变产生的体积膨胀效应和形状效应，而吸收大量的能量，从而表现出异常高的韧性。

这就是相变韧化（transformation toughening ）的概念。

韧化机理分析： 1.相变韧化(∆K ICT ) ；d i <d<d c 应力诱发相变增韧(∆K ICT ) t →m 相变产生新的表面吸收能量，同时相变引起的体积膨胀产生压力。

2. 残余应力增韧 (∆K ICS )；• 残余应力→ 闭合阻碍裂纹扩展 →残余应力韧化。

3. 显微裂纹增韧 (∆K ICM )；4. 复合韧化机理；第二相颗粒增韧第二相颗粒增韧，第二相增韧主要增韧机理为残余应力增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、颗粒桥联增韧、延性颗粒增韧；增韧的主要影响因素为物理相容性和化学相容性（不生成有害化合物合适的界面结合强度 1. 应力场模型颗粒∆a=a p -a m ；∆T=T P -T R ；α－材料的热膨胀系数，10-6/K ； E －材料的弹性模量，GPa ； ν－材料的泊松比；m ，p 分别代表基体和第二相增强颗粒； T P －基体不产生塑性变形的最高温度，K T R －所讨论的状态下的温度，Kp pmm E E TP ννα2121-++∆⋅∆=基体 r －球形颗粒半径，mm ；R －基体中某点距离球心的距离，mm ∆a 的影响：∆a>0，σr >0，σt <0，环向裂纹（收敛型）； ∆a <0，σr <0，σt >0，径向裂纹（发散型）； ∆a ＝0 ，P=0 ，σ＝0； r>r cr c －自发萌生裂纹的邻界第二相颗粒半径2. 临界第二相颗粒尺寸（r c ）弹性应变能：颗粒:基体系统 U S =U P +U m =2πkP 2r 3由U S ≥2γmp 得；2γmp －萌生单位面积裂纹所消耗的能量，J3. 残余应力增韧（d<d C ）∆a>0∆a>0☺裂纹停止 ☺裂纹穿过第二相颗粒☺裂纹沿颗粒与基体之间的界面扩展颗粒开裂表面能：γp ＝2πr 2γsp克服阻力做功： W 1=1/2πPr 2u 1W t =γp + W 1=2πr 2γsp +1/2πPr 2u 1界面开裂表面能：b ＝4πr 2γint克服阻力做功：W 2=1/3πPr 2u 2W i =γp + W 1=4πr 2γint +1/3πPr 2u 2u 1≈u 2≈2r εb =2⨯10-3r3)(Rr P r ⋅=σ3)(21Rr P t ⋅-=σ32)21(2r E P U P P P νπ-=32)1(rE P U mm m νπ+=p P m m E E k νν2121-++=312)2(-∝kP r c πint<1/2γSP∆a≈0E P>E m 裂纹沿界面扩展。

陶瓷的强化与增韧

陶瓷材料的强化影响陶瓷材料强度的因素是多方面的,材料强度的本质是内部质点(原子、离子、分子）间的结合力，为了使材料实际强度提高到理论强度的数值，长期以来进行了大量研究。

从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构既定的情况下，控制强度的主要因素有三个，即弹性模量E，断裂功（断裂表面能）和裂纹尺寸。

其中E是非结构敏感的，与微观结构有关，但对单相材料，微观结构对的影响不大，唯一可以控制的是材料中的微裂纹，可以把微裂纹理解为各种缺陷的总和。

所以强化措施大多从消除缺陷和阻止其发展着手。

值得提出的有下列几个方面。

（1）微晶, 高密度与高纯度为了消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方面。

近年来出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷,例如用热压工艺制造的陶瓷密度接近理论值,几乎没有气孔，特别值得提出的是各种纤维材料及晶须。

（2）预加应力人为地预加应力,在材料表面造成一层压应力层,就可提高材料的抗张强度。

脆性断裂通常是在张应力作用下,自表面开始,如果在表面造成一层残余压应力层,则在材料使用过程中表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余压应力。

（3）化学强化如果要求表面残余压应力更高,则热韧化的办法就难以做到,此时就要采用化学强化(离子交换)的办法。

这种技术是通过改变表面的化学组成,使表面的摩尔体积比内部的大。

由于表面体积胀大受到内部材料的限制,就产生一种两向状态的压应力。

4）陶瓷材料的增韧所谓增韧就是提高陶瓷材料强度及改善陶瓷的脆性,是陶瓷材料要解决的重要问题。

与金属材料相比，陶瓷材料有极高的强度，其弹性模量比金属大很多。

韧化的主要机理有应力诱导相变增韧,相变诱发微裂纹增韧,残余应力增韧等。

几种增韧机理并不互相排斥,但在不同条件下有一种或几种机理起主要作用。

相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变,从而增韧的效果,统称为相变增韧。

例如,利用的马氏体相变来改善陶瓷材料的力学性能,是目前引人注目的研究领域。

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。

陶瓷基复合材料增强机制机理

陶瓷基复合材料增强机制、机理的研究现状及展望陶瓷基复合材料（CMC），一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。

这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。

本文将介绍陶瓷基复合材料这种新型复合材料的机理和研究现状及展望。

与常规材料和非陶瓷复合材料相比，陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、超硬度抗氧化和抗烧结等优异性能。

作为高温结构材料，尤其作为航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位结构用材料具有很大的潜力。

因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划，出现了陶瓷热，然而，常规结构陶瓷还存在缺陷和问题，主要是材料的脆性，可靠性不高等，应用于现在科技领域还有许多问题急需研究解决。

陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于他可以改善陶瓷基材料的力学性能，特别是脆性，因此陶瓷基复合材料的发展和研究将成为陶瓷大规模应用计划取得成功的关键。

陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。

陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。

其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。

连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。

金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。

从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。

陶瓷的热震性及增韧

陶瓷的抗热震性
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黄泽亚 2012.12
讨论要点
陶瓷材料热震性产生根源及其研究意义抗热震评价理论陶瓷材料的抗热震性的影响因素如何提高陶瓷材料热震性能
抗热震性的定义
主要指陶瓷材料承受一定程度的温度急剧变化而结构不致被破坏的性能称为抗热震性（Thermal Shock Resistance），又称抗热冲击性或热稳定性。
热学性能对抗热震性的影响
与材料的抗热震性紧密相关的热学性能主要包括热膨胀系数和热导率陶瓷材料的热膨胀各向异性晶体组成的多晶陶瓷，由于
各相的膨胀系数不同，在温度变化过程中产生的内应力将导致热膨胀。
陶瓷材料的热传导
同样的热震条件下，高热导率的材料内部往往温度梯度较小，材料所受的热应力也更小，材料也就具有更高的抗热震性能。
断裂开始和裂纹扩展的统一理论
比较断裂理论和损伤理论及参数，结论相悖。
原因是二者所引用的理论基础及其判断依据不同。前者注重的是裂纹成核，后者关心的是已有裂纹的扩展。它们分别适用于致密陶瓷和诸如耐火材料的多孔材料 Hasselman为弥补临界应力断裂理论只注重裂纹成核问题和抗热震损伤理论只强调裂纹扩展的不足，将二者结合起来，建立了以断裂力学为基础的断裂开始和裂纹扩展的统一理论初始裂纹很短 c:激发裂纹扩展的临界温差初始裂纹很长
可在均匀材料中出现，分三种情况
1）稳定的热流通过陶瓷材料时，由于外力作用，限制陶瓷材料的自由膨胀而产生第二类热应力 2）稳定的热流通过陶瓷材料时，因为材料形状或传热特性使其中的温度分布产生不均匀（即产生温度梯度），产生第二类热应力 3) 非稳定的热流通过陶瓷材料时，由于内部温度梯度的出现而引起的第二类热应力可以看出即使不存在温度梯度，也会有热应力产生(第一类热应力)。即使材料体内存在温度梯度，也未必产生热应力。例如，一个具有线性温度梯度的无限薄板在受热膨胀时，无不相容应变，也无热应力产生。

氧化锆相变增韧陶瓷

Thank You
临界相变应力Pc
已经相变
未相变
降低裂纹尖端的应力场强
屏蔽裂纹扩展
ε
增韧
裂纹尖端伴随马氏体相变应力应变曲线
应力诱导相变增韧--增韧机理
烧结过程中，温度达到1170℃时，单斜氧化锆氧化锆完全转化为四方氧化锆，烧结冷却过程中， T<950℃，基体对四方氧化锆产生束缚作用，阻碍四方氧化锆到单斜氧化锆的转变，使得四方氧化锆在室温下保存下来。
展
望
氧化锆陶瓷的性能及使用意义
在各种金属氧化物陶瓷中 1、适宜做陶瓷涂层和高温零部件 2、重要的结构陶瓷材料 3、重要的电子材料特殊的晶体结构
高温热稳定性及隔热性能最好导热系数小及热膨胀系数接近金属
氧化锆相变增韧的研究意义
新时代宠儿工业上的重视
科学界的瞩目
相变增韧ZrO2 陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2 相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性
相变过程是一个无热相变过程
特点二
特点三相变过程伴随明显的体积膨胀(7%~8%）
相变过程是无扩散的，并伴随着8%左右的剪切应变
特点四
氧化锆相变增韧机理
利用应力诱导四方氧化锆的马氏体相变，来提高材料的韧性
外力出现
σ
四方氧化锆在有单斜氧化锆时产生的应变
四方氧化锆解除束缚体积膨胀，吸收裂纹尖端的能量
根本出发点：依靠相变伴随体积膨胀，产生屏蔽裂纹的扩展或者抵消残余应力的过程
氧化锆相变增韧效果
随着四方氧化锆体积分数的增加，增韧效果越好
90% 80% 55%
30%

2、3讲陶瓷基复合材料的强韧化机理课件

陶瓷的强韧化
• 脆性是陶瓷材料的致命弱点，其来源于高键能引起的缺陷敏感性，陶瓷材料的强韧化本质上就是降低其对缺陷的敏感性。
陶瓷材料缺陷敏感性存在着显著的尺寸效应，即块体材料的尺寸越大，缺陷数量越多。根据统计学原理，缺陷数量越多，缺陷的概率尺寸越大。
陶瓷材料的强度和韧性具有“最弱连接”特征，即取决于缺陷的最大尺寸而不是数量，实际上，陶瓷基复合材料的强韧化就是利用了缺陷的尺寸效应。（掺杂改性）
2 韧化机理
• 径向微开裂容易导致微裂纹连通，对材料强度不利；
• 切向微开裂使颗粒与基体脱开，相当于形成一个颗粒尺寸大小的孔洞，同样对材料强度不利。
• 所以在采用第二相颗粒补强增韧时，一般要求颗粒的直径小于导致自发微开裂的临界颗粒直径dc。
√ 应力诱导微开裂增韧（dmin<d<dc）
• 当p>m，d<dc时，宏观裂纹的尖端由于外加应力的作用会出现一个微开裂过程区，如图所示。
无限大基体中球形颗粒引起的残余应力场
2) 韧化机理
• 当p>m 时，压力p>0，径向>0，切向t<0，即第二相颗粒处于拉应力状态，而基体径向处于拉伸状态，切向处于压缩状态，这时裂纹倾向绕过颗粒继续扩展，如图所示；
• 当p<m 时，压力p<0，径向<0，切向t >0，即第二相颗粒处于压应力状态，而基体径向受压应力，切向受到拉应力，这时裂纹倾向于在颗粒处钉扎或穿过颗粒。
• Faber等证实了应力诱导微开裂增韧机理的存在。增加第二相颗粒的体积含量和直径可以提高应力诱导微开裂的增韧效果，但过分增加容易导致微裂纹的连通，对材料的强度也不利。
√ 残余应力增韧
• 当第二相颗粒的直径小于dmin时，在裂纹尖端不能诱发微开裂，但裂纹尖端将与颗粒周围应力场相互作用，其裂纹扩展的微观过程应是如图所示的裂纹偏转，这种由于裂纹与颗粒周围应力场相互作用所导致的微裂纹偏转与裂纹直接和颗粒相互作用（不考虑颗粒周围的应力场）所导致的裂纹偏转不同。

关于陶瓷材料的增韧技术的研究

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。

ZrO2增韧机理

ZrO2增韧机制ZrO2增韧机制有许多种：应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹弯曲及分岔增韧。

1）相变增韧ZrO2 颗粒弥散在其它陶瓷基体中，当基体对ZrO2颗粒有足够的压应力，而ZrO2的颗粒度又足够小，则其相变温度可降至室温以下，这样在室温时ZrO2 仍可以保持四方相。

当材料受到外应力时（张应力），基体对ZrO2 的压抑作用得到松弛，ZrO2 颗粒即发生四方相到单斜相的转变，有7%-9%的体积膨胀，从而导致压应力的产生，不仅抵消了外力形成的张应力，而且阻止了进一步的相变。

这就是ZrO2 的相变增韧。

2）微裂纹增韧部分稳定ZrO2 陶瓷在由四方相向单斜相转变，相变出现了体积膨胀而导致产生微裂纹。

这样由ZrO2 陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，以及裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用。

从而提高了断裂能，称为微裂纹增韧。

3）表面诱发强韧化表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的。

由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少，t-ZrO2很容易转变为m-ZrO2 ，而内部的t-ZrO2由于受基体各方向压力保持亚稳定状态，因此表面的m-ZrO2比内部多，而转变产生的体积膨胀使材料表面产生参与的压应力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成表面强化增韧。

4）微裂纹弯曲及分岔增韧第九章1．烧结：粉末或非致密性物料经加热到低于其熔点的一定范围内，发生颗粒粘结、结构致密性增加，晶粒长大，强度和化学稳定性提高等物理变化，成为坚实集合体的过程，其中无液相时为固相烧结，有少量液相时为液相烧结。

1．烧结与烧成烧成—包括物料的预热、脱水、分解、多相反应、熔融、溶解、烧结等多种物理和化学变化；烧结—仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程，是烧成过程的一部分。

2．烧结与熔融相同点：都是在高温下原子热振动引起。

不同点：熔融通过质点迁移其间距增大，并且全部组元都处于液态；烧结时质点间距变小，且至少有一相是固相；3.烧结与固相反应相同点：二个过程开始进行的温度都远低于熔融温度，在Tamman温度开始，并且过程自始至终至少有一相是固态；不同点：固相反应是一化学反应过程，至少有二组元参加，并发生化学反应最后形成化合物；烧结是一物理过程，可以是单组元或二组元，组元间不发生化学反应。

二氧化锆陶瓷的相变增韧机理和应用

二氧化锆陶瓷的相变增韧机理和应用一、本文概述本文旨在深入探讨二氧化锆陶瓷的相变增韧机理及其在多个领域的应用。

作为一种重要的工程材料，二氧化锆陶瓷因其出色的物理和化学性质，如高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性和生物相容性等，在航空航天、机械、电子、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。

然而，其脆性大的特点限制了其在某些领域的应用。

为了解决这个问题，科研工作者们发现，通过控制二氧化锆陶瓷中的相变过程，可以有效地提高其韧性，这就是所谓的相变增韧机理。

本文将首先介绍二氧化锆陶瓷的基本性质，包括其晶体结构、物理和化学性质等。

然后，将重点阐述相变增韧机理，包括其原理、影响因素以及实现方法。

在此基础上，本文将进一步探讨二氧化锆陶瓷在航空航天、机械、电子、生物医疗等领域的应用，以及在这些应用中如何利用相变增韧机理来提高其性能。

本文还将对二氧化锆陶瓷的未来发展趋势进行展望，以期为其在更多领域的应用提供理论支持和实践指导。

二、二氧化锆陶瓷的基本性质二氧化锆（ZrO₂）陶瓷是一种具有独特物理和化学性质的先进陶瓷材料。

它的主要特点包括高强度、高硬度、高耐磨性、高化学稳定性以及优异的隔热性能。

二氧化锆陶瓷还具有一种特殊的性质，即其在一定条件下可以发生相变，这种性质为二氧化锆陶瓷的增韧提供了可能。

在常温下，二氧化锆陶瓷主要以单斜晶相（m-ZrO₂）存在，这种晶相具有较高的稳定性。

然而，当受到外部应力或温度升高的影响时，部分单斜晶相二氧化锆会转变为四方晶相（t-ZrO₂）。

这种相变过程中，二氧化锆的体积会发生变化，产生微小的应力场，这些应力场可以吸收并分散外部施加的应力，从而阻止裂纹的扩展，提高陶瓷的韧性。

除了相变增韧外，二氧化锆陶瓷还可以通过添加稳定剂（如氧化钇、氧化钙等）来稳定其四方晶相，使其在室温下就能保持较高的韧性。

这种稳定化处理不仅可以提高二氧化锆陶瓷的力学性能，还可以扩大其应用范围。

二氧化锆陶瓷的基本性质为其在增韧机制和实际应用中提供了重要的基础。

说明纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制

说明纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制
纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制主要是通过纤维的拉伸和断裂过程来实现。

首先，纤维的延伸和断裂过程可以吸收和消耗应力，从而阻止裂纹的扩展。

纤维的高拉伸强度和高断裂韧性使得它们能够承受大量的应力，并且这些应力可以从裂纹周围分散到整个复合材料中，从而阻止裂纹扩展。

此外，纤维增强还可以改变复合材料的断裂模式。

传统的陶瓷材料在受到应力时往往会出现脆性断裂，即裂纹迅速扩展并导致材料的完全破坏。

但是，当纤维被引入到陶瓷基质中时，它们可以改变材料的断裂模式，从而将脆性断裂转化为韧性断裂。

纤维的存在可以导致裂纹分支和纤维剪切，从而分散和吸收裂纹的应力，并延缓裂纹的扩展速度，从而使材料具有更好的韧性。

此外，纤维增强材料还可以通过增加界面的强度来提高整体材料的性能。

纤维与陶瓷基质之间的界面承载着传递应力的重要作用。

通过优化界面的结构和化学性质，可以增强纤维与基质之间的相互作用，从而提高材料的综合性能。

综上所述，纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制主要包括纤维的拉伸和断裂过程、改变材料的断裂模式以及增强界面的强度。

这些机制的共同作用使得复合材料具有更高的韧性和更好的抗裂性能。

氧化锆陶瓷掺杂稳定和增韧机制

• 物理性能：热导率低、热稳定性好及高温蠕变小,是高温隔热及结构陶瓷的理想材料。极好的耐磨性 • ZrO2的重要作用仅次于Al2O3。
2氧化锆的晶体结构和相变特性
纯氧化锆有三种同素异形体结构：
• 1在室温时为单斜晶 (m) 相 • 2在1170℃时由单斜晶相变化成四方(t)相 • 3于2370℃由四方晶相变成立方晶(c)相，注意：立方晶相在2680℃溶解成液相
3 为什么掺杂才能得到稳定氧化锆陶瓷？
m相密度：5.65g/cm3， t相6.10g/cm3， c相 6.20g/cm3。 • 烧结冷却时纯ZrO2发生t→m相变为无扩散相变，伴随产生约5％的体积膨胀和相当大的剪切应变约5％ ~7％； • 加热时，由m→t相变，体积收缩。加热、冷却过程中要发生晶型转变，引起体积效应（热缩、冷胀），易使制品开裂，其力学性质和抗热震能力都很差.......

如果减少加入氧化物的数量（小于上面的数值），不使全部氧化物都呈稳定的立方相，而使一部分一四方相的形式存在，所以叫做部分稳定氧化锆.
• TZP:当稳定的ZrO2陶瓷全部为t-ZrO2的单相多晶陶瓷时，叫四方氧化锆多晶陶瓷，用TZP表示。
5氧化锆相变增韧陶瓷分类依据：
根据亚稳四方相在应力诱导下的相变增韧作用，氧化锆相变增韧陶瓷有三种主要类型： 1.完全由四方相氧化锆细晶组成的四方多晶氧化锆 (TZP)增韧陶瓷 2.立方相基体里弥散分布着四方相氧化锆的双相组织，称为部分稳定氧化锆(PSZ)增韧陶瓷 3.四方相氧化锆弥散分布到其他陶瓷基中, 即弥散四方相氧化锆(ZTC)增韧陶瓷
2. 微裂纹增韧:
• 裂纹来源：陶瓷材料在烧结体中由于存在局部残余应力，造成一定数量的微裂纹。 • 裂纹作用：降低了作用区的弹性模量，当外力作用时微裂纹以亚临界裂纹缓慢扩展并释放主裂纹尖端的部分应变能，使主裂微扩展阻力增加，有效地抑制了裂纹扩展，从而使断裂韧性提高。

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

问：什么是氧化锆增韧氧化铝陶瓷？其增韧机理是什么？制备工艺有哪些？

１）混合法。主要有机械混合法、多相悬浮液混合法、溶胶一悬浮液混合法等。
机械混合法是将组成复合粉体的粉末进行混合、球磨，然后再进行烧结。该方法直接、简便，但不能保证多相组分的均匀分散。
目前，提高氧化铝陶瓷断裂韧性有许多途径，主要有：应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹分叉增韧等。在实际材料中，究竟何种机制起主导作用，在很大程度上取决于四方相氧化锆（ｔｍＺｒＯ）向单斜相氧化锆（ｍ—ＺｒＯ）马氏体生的部位。２．１应力诱导相变增韧
氧化锆增韧氧化铝陶瓷复合粉体的制备工艺有混合法、溶胶一凝胶法、共沉淀法和沉淀包裹法等不同方法。其中的关键是，既要保证ＺｒＯ的颗粒细度小且颗粒度分布范围窄；又要保证ＺｒＯ的均匀分散，使Ａｌ０。颗粒能够包裹ＺｒＯ，以产生良好的增韧效果。３．１ＺｒＯ。／Ａｌ：Ｏ。复合粉体的制备
定性，是目前应用非常广泛的陶瓷材料之一。但其断裂韧性较低，一般为２．５～４．５ＭＰａ·ｍ，严重地限制了它在更广泛领域中的应用，从而增强氧化铝陶瓷断裂韧性成了当前研究的热点之一。
氧化锆增韧氧化铝（ＺｉｒｃｏｎｉａＴｏｕｇｈｅｎｅｄＡｌｕｍｉ— ｎｕｍ，ＺＴＡ）陶瓷材料，它是在氧化铝母相基质中引入一定量的相变材料氧化锆所形成的一种复相精细陶瓷材料。由于氧化铝的硬度大、氧化锆的韧性好，这两种材料形成了高强度、高韧性的优异复合体，在常温下具有更高的抗折强度和断裂韧性，因而具有出色的耐磨性能。因此这种复相陶瓷材料既具有氧化锆陶瓷高韧和高强度的特性，又具有氧化铝陶瓷高硬度的优点，而且随着这种综合力学性能的提高，其耐磨性也得到了较大的提高。２氧化锆增韧氧化铝陶瓷的增韧机理

陶瓷材料增韧机理的研究进展

最佳的工艺条件，控制晶粒的形核和生长来获得一定
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、ｉＴＢＳ。ｉｉＴＮ、ｉ、ｉ、ＣＣＳ
Ｓ：中ｓ、ｉｉＮ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ＣＴ超强的力学性能，ＮｓｉＮｓＣＴ在拔出和断裂时，都要成功的应用于 — ｉｏ陶瓷材料，ＳｎＭ得到的仪一ｉｏＳｌｎａ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８１显著地增加陶瓷材料的断裂韧性。最典型的是氧化锆，ｒＺＯ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￣）Ｃ１０，相变Ｃ速度快，无扩散，伴随着约０６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四９１方相的ＺＯ。经过Ｌｎｅｒ２ａｇ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。