陶瓷复合材料的增韧

陶瓷基复合材料的增韧研究进展（综述）

摘要：陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，但是陶瓷材料的脆性问题一直制约着陶瓷材料的发展。近年来，人们在提高陶瓷的韧性方面取得了众多成果。本文介绍了近五年来国内外关于纳米陶瓷基复合材料的增韧问题的研究进展，并对陶瓷基复合材料的增韧进行了前景展望。

关键词：陶瓷基复合材料；增韧；研究进展

Research and Development of Toughening of Ceramic Matrix

Composites (A Review)

Zhou Kui

State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology,

Huazhong university of science and technology

Abstract:Ceramic materials have outstanding performance at strength, high temperature resistance, corrosion resistance, but the development of ceramic materials has been restricted by the brittleness of ceramic materials.In recent years,many achievements in improving ceramic toughness has been made.In this paper,the research status about ceramic matrix composite toughening problem at home and abroad had been introduced and the prospect of ceramic matrix composite toughening was also proposed.

Keywords:ceramic matrix composites;toughening;research status

1、引言

陶瓷材料不管是在古代还是当今社会都是不可缺少的材料，它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。[1]陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，不仅可用作结构材料，由于其还具有某些特殊的性能，因此它也可作为功能材料。[2]

目前，新型的陶瓷材料正在以往使用金属的领域中得到应用，如发动机零部件、高温喷嘴、磨球、轴承、耐磨部件、刀具等。由于结构陶瓷固有的脆性，其具有灾难性破坏的致命弱点，使其可靠性较差，因此，改善陶瓷材料的韧性就成为直接关系到陶瓷材料在高科技领域中应用的关键。近年来，围绕陶瓷材料韧化这一关键性问题，已进行了大量而深入的基础研究，取得了不少突破性的进展。主要表现在以下几个方面：[3]

（1）发展了高纯、超细、均质的陶瓷粉体制备技术，最终提升陶瓷的韧性；

（2）开发出了流延法成型、轧膜成型、注射成型、挤制成型以及近年来出现的胶态成型等实用新型成型工艺；

（3）发展了热压烧结、热等静压烧结、气压烧结、微波烧结、自蔓延高温合成、等离子放电烧结等烧结新技术；

（4）在相平衡、反应热力学、动力学、胶体化学、表面和界面科学、烧结机理等基础研究方面均取得了不少突破性的新进展。

脆性是陶瓷材料的致命弱点，其其来源于高键能引起的缺陷敏感性，陶瓷材料的强韧化从本质上来讲，就是降低陶瓷对缺陷的敏感性。高模量是陶瓷材料的另一个显著特点，而高模量使陶瓷基复合材料表现出较高的裂纹敏感性，因此，陶瓷材料的韧化除了通过复合降低缺陷敏感性之外，还要降低复合材料的裂纹敏感性。[4]

陶瓷基复合材料的韧化涉及缺陷敏感性和裂纹敏感性两个方面，裂纹敏感性与增韧体的尺度有关，裂纹敏感性与界面行为和增韧体的长径比有关。为了实现陶瓷的增韧，对陶瓷基复合材料往往要求基体与增韧体之间呈弱界面结合，通过降低裂纹敏感性来提高韧性。[5]

2、陶瓷基复合材料的增韧

同一般金属相比，陶瓷材料的晶体结构复杂而表面能小，因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性及耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。搞清陶瓷的性能特点及控制因素，是对陶瓷增韧十分重要的。[4]

事实上，陶瓷晶体之所以脆，是因为陶瓷晶体内缺少五个独立的滑移系，在受力作用下难于发生滑移引起的塑性变形以松弛应力，在显微方面其脆性根源是由于存在裂纹，且易于导致高度裂纹集中。从断裂力学的观点来看，克服陶瓷的脆性的关键是：一是要提高陶瓷材料抵抗扩展裂纹的能力，二是要减缓裂纹尖端的应力集中效应。陶瓷受外力作用，直至断裂时外力对每单位体积陶瓷所做的功称为陶瓷材料的断裂能。在裂纹扩展过程中，任何能为断裂能的提高做出贡献的能量损耗机制都有助于提高陶瓷材料的的韧性。[6]

陶瓷韧化可分为两类：一类是自增韧陶瓷，它是由烧结或热处理等工艺使其微结构内部自生出增韧相；另一类是在试样制备时加入起增韧作用的第二相（组元），如纤维增韧、晶须增韧及颗粒弥散增韧等。[3]

2.1 颗粒弥散增韧

陶瓷材料的颗粒弥散增韧指把第二相颗粒引入陶瓷基体中，使其弥散分布并引起增韧补强陶瓷基体的方法。这种增韧方式是通过第二相颗粒的弥散或者颗粒的移动，产生一定塑变、沿晶界面滑移带来蠕变、形成裂纹尖端屏蔽、主裂纹周围微开裂或裂纹桥，以及由于第二相与基体相热膨胀系数及弹性模量的失配导致的残余热应力与扩散裂纹尖端应力交互作用，使得裂纹产生偏转、分岔、桥联或者钉扎等效果，达到阻止裂纹扩展、提高断裂韧性的目的。[7]

由于颗粒增韧具有工艺简单、第二相容易分散、制品致密等优点，使得颗粒增韧陶瓷基复合材料在许多方面获得了应用。[3]

刘丽菲[8]利用Al2O3的弥散增韧作用，以Al2O3为增韧剂，采用高温烧结法制备了增韧氧化锆陶瓷，抗弯强度和断裂韧性分别达到1016MPa 和14.2MPa·m1/2。徐鹤[9]在其研究中将碳黑颗粒引入到ZrB2-SiC 材料中，采用传统热压烧结工艺，制备出了高抗热冲击性能的ZrB2-SiC-C 复合材料，添加碳黑后，复合材料的断裂韧性由 4.5MPa·m1/2增加到 6.57MPa·m1/2。Azhar A Z A 等人[10]研究了加入的粒子尺寸对ZTA-MgO陶瓷切削刀具的韧性的影响，结果表