陶瓷材料的强韧化方法概述
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。
陶瓷材料的强韧化方法概述
陶瓷材料的强韧化方法概述鉴于本人在研究生阶段的研究方向与陶瓷材料有关，故本篇所选择的主要内容为陶瓷材料的强韧化方法。
与传统材料相比陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性，但它也存在脆性大、易断裂的缺点，从而大大限制了陶瓷材料在实际生产中的应用。
因此改善陶瓷材料的脆性、增大强度、提高其在实际应用中的可靠性成为其能否广泛应用的关键。
近年来，陶瓷材料的强韧化课题已经受到国内学者的高度重视。
目前已有的强韧化主要措施如下所述。
1、氧化锆相变增韧：当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的t-ZrO2粒子，这会促发t-ZrO2粒子向m-ZrO2的相变，由此产生的相变应力又会反作用于裂纹尖端，降低尖端的应力集中程度，减缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性；2、微裂纹增韧：由于温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差会在陶瓷基体相和分散相之间产生的弥散均布裂纹。
当导致断裂的主裂纹扩展时，这些均匀分布的微裂纹会促使主裂纹分叉，使得其扩展路径变得曲折，增加了扩展过程的表面能，从而使裂纹快速扩展受到了阻碍，增加了材料的韧性；3、裂纹偏转增韧：在发生裂纹偏转时，裂纹平面会在垂直于施加张应力方向上重新取向，这就意味着裂纹扩展路径将被增长。
同时，由于裂纹平面不再垂直于张应力方向而使得裂纹尖端的应力降低，因而可以增大材料的韧性；4、裂纹弯曲增韧：在裂纹扩展过程中，如果遇到基体相中存在的断裂能更大的第二相增强剂就会被其阻止，裂纹前沿如需继续扩展便要越过第二障碍相而形成裂纹弯曲。
这也会使裂纹快速扩展受到了阻碍，从而增加材料的韧性；5、裂纹桥接增韧：所谓的裂纹桥接是指由增强元连接扩展裂纹的两表面形成裂纹闭合力而导致脆性基体材料增韧的方法。
其增强元可分为两种：一种为刚性第二相，另一种则是韧性第二相；6、韧性相增韧：韧性相会在裂纹扩展中起到附加吸收能量的作用，这就使得裂纹进一步扩展所需的能量远远超过形成新裂纹表面所需的净热力学表面能。
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。
2、3讲陶瓷基复合材料的强韧化机理
2) 韧化机理
• 均匀无限大基体中存在第二相颗粒时，颗粒将 受到一个压力 2TE m p 1 m 2 1 2 p • 式中，=p-m，、E为泊松比和弹性模量； 下标m、p分别表示基体和颗粒；T为基体的塑 性变形可忽略时的温度Tp冷却到室温TR时的温 度差，=Em/Ep。 • 这一内压力在基体中距球形颗粒中心为R处产生 径向正应力及切向正应力t（图） 3 r p R
陶瓷基复合材料的力 – 位移曲线
• 而纤维增强陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高，而且还改 变了力 – 位移曲线的形状（如图）。
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。 • 可推导出产生应力诱导微开裂时第二相颗粒的最大直径dc和最 小直径dmin。当d>dc时材料在从烧结温度冷却到室温TR时将产生 自发开裂，当d<dmin时外加应力不能在裂纹尖端诱发微开裂。
晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述
晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述
1. 晶须增韧化技术是什么?
晶须增韧化技术是一种将晶须材料引入到基础材料中的技术，通过晶须的固定和增长，改善复合材料的机械性能和韧性。
2. 什么是陶瓷基复合材料？
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基础材料，通过添加其他强化材料来提高其性能，具有高强度、高硬度、高温耐性、耐磨损等特点。
3. 强韧化机制是如何发生的？
晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机制主要是由晶须与基础材料之间的相互作用所产生的。
晶须可以在材料中分散均匀，形成纤维状结构，避免裂纹扩展，增加其韧性。
同时，晶须具有很高的强度，它与基础材料之间的化学结合可以增强材料的力学性能。
4. 晶须增韧化技术的优点是什么？
晶须增韧化技术是一种有效提高材料性能的技术，具有以下优点：
（1）提高材料韧性，增强抗裂性；
（2）增加材料强度，提高其耐久性；
（3）降低材料疲劳度，延长材料的使用寿命。
5. 晶须增韧化技术的应用领域有哪些？
晶须增韧化技术可以应用于各种复合材料的制备中，主要应用领域包括：
（1）汽车工业——制备高硬度、高温度下可靠的发动机零件、制动系统；
（2）电子工业——制备高强度、高温度下可靠的电子陶瓷；
（3）航空航天工业——制备高强度、轻质、高温度下可靠的航空材料。
6. 晶须增韧陶瓷基复合材料的未来发展趋势是什么？
晶须增韧陶瓷基复合材料的未来发展趋势主要是往以下方面发展：
（1）研制更高性能的晶须材料；
（2）探索更加有效的晶须分散方式；
（3）进一步深入研究晶须与基础材料之间的相互作用机理；
（4）将晶须增韧化技术应用于更多领域，以满足工业和社会的需要。
强韧化
（1）偏转
现象：由于裂纹偏转，尖端应力强度因 子的变化引起表观断裂面积的增加。 起作用的条件：裂纹与强化相得作用 使内部产生不均匀应力场和裂纹尖端发生 微裂纹或界面剥离。 效果：△Kc增长1.1~3.5倍△Gc增长 1.1~4 .5倍，伴随裂纹分支时效果最大。
（2）弯曲
现象：由于强化相得存在，使基体中 的裂纹尖端弯曲且使裂纹进展的阻力增加 。 起作用的条件：需要裂纹通过之前的 强的界面结合和强化相间距与基体临界裂 纹长度的关系。 效果：△Kc增长1.1~3.5倍△Gc增长 1.1~4 .5倍，伴随裂纹分支时效果最大。在 多数场合与裂纹偏转完全分离困难。
（3）残余应力
现象：由残余压缩应力场产生的屏蔽。 起作用的条件：强化体材料与基体间热 膨胀系数最优化和强的界面粘结。 C 效果： K R 可增长（1+ △σm/σmu)倍。
2.2 非屏蔽机理
主要是利用裂纹与材料间的相互作用 而消耗的额外的能量，因此对应力强度因 子的贡献很小，主要是使断裂能量提高。 这种相互作用可以使裂纹发生两种情 况的转变，即弯曲和偏转。
（3）滑移
现象：裂纹面的摩擦使上下面的相对 位移受约束。 起作用的条件：大的摩擦系数。 C C 效果： K R ， GR ，可增长1.0~2.0 倍。
2.1.2 区域屏蔽
区域屏蔽是通过强化相不直接承 受力，而是影响断裂过程中的相互作 用。
区域屏蔽也有三种形式，分别为：相变 、微裂纹、残余应力。 三种形式的特征分别为：
屏蔽机理和非屏蔽机理
2.1 屏蔽机理
定义： 在裂纹尖端施加应力，产生与原材 料不同特性的区域，从而使应力集中 缓和的机理。
主要特征：
可以使临界应力强度因子和断 裂能量同时增大。
陶瓷材料的强韧化
姓名：霍延通 学号：152085204007
陶瓷材料的强韧化
一、前言 二、陶瓷材料的断裂问题 三、陶瓷材料的晶须法增韧 四、陶瓷材料的相变增韧 五、陶瓷材料的纤维法增韧
陶瓷材料的强韧化
一、前言
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，几乎没有其它吸收能量的机制，这就是 陶瓷脆性的本质原因。
陶瓷材料的强韧化
变为单斜相，并产生体积膨胀，形成压缩表面层，从而 强化陶瓷。ZrO2增韧Al2O3陶瓷刀具是典型的相变增韧陶 瓷，美国和瑞典研制的ZrO2增韧陶瓷刀片具有相当高的 刀刃强度和耐磨性，用于加工合金钢时，粗车速度为 313m/s,精车速度为12m/s。它可以在高于硬质合金刀具 4~5倍的切削速度下加工高温合金。
陶瓷材料的强韧化
1、晶须的特性
陶瓷材料的强韧化
SiC晶须性质
陶瓷材料的强韧化
陶瓷材料的强韧化
2、SiC晶须的制备 （1）三氯硅烷法
（2）气液固法
陶瓷材料的强韧化
（3）加热SiC块 （4）稻壳 3、基质和晶须的选择考虑 （1）化学相容性 （2）弹性模量的匹配
（3）热膨胀系数的匹配
陶瓷材料的强韧化
五、陶瓷材料的纤维增韧
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，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收能，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纤维脱 粘、纤维拔出、纤维桥接、裂纹弯曲和偏转。
第二章 4陶瓷材料第二相颗粒强韧化
区的大小；m 表示微裂纹面积密度。微裂纹增韧对温度的敏感性
与应力诱导相变增韧不同，前者主要靠残余应力产生的原因。如
果由于热膨胀失配而产生微裂纹，韧性会受到温度升高而降低。
但相变产生的微裂纹，如果发生在相变可逆的温度区，温度才会 影响到增韧效果。
对含有氧化锆材料的马氏体相变诱发微裂纹，一般有三种
途径； 1）单斜相的ZrO2在较高的烧结温度下为四方相，冷却过程 中发生t-ZrO2→ m-ZrO2的马氏体相变，在颗粒周围产生微裂纹； 2）四方相ZrO2晶粒由于烧结温度过高而造成晶粒尺寸r大 于临界相变尺寸rc,冷却过程自发相变为m-ZrO2，产生微裂纹； 3）t-ZrO2在外力载荷作用下，发生应力诱导相变m-ZrO2。
3 表面强化增韧
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容易转变为m-ZrO2，而内 部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因 此表面的m-ZrO2比内部的多，而转变产生的体积膨胀使 材料表面产生残余的压应力，可以抵消一部分外加的拉 应力，从而造成表面强化增韧。
Y2O3
ZrO2
2YZr ‘ +3 Oo + VO • •
根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷有 三种类型，分别为： 部分稳定氧化锆陶瓷(partially stabilized zirconia， PSZ) 四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP) 氧化锆增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics，ZTC)
单斜m-ZrO2
1170℃
950℃
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。
颗粒弥散补强增韧
弥散补强增韧的类型
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; 二是分布在基质晶粒内部, 即所谓晶内型 或 内晶型 。
其中内晶型是纳米复合陶瓷的结构特征, 但两种结构共存又成为 这种材料的共性, 因为制备出单纯的 晶间型或内晶型的纳米复合陶 瓷十分困难。基于此点, 对相的韧化效果应当从纳米粒子在基体中的 存在方式入手。 纳米粒子在基体中的存在方式和金属中的第二相粒子相同，不 过金属中的是析出第二相粒子，纳米复合陶瓷是外加进去的第二相。
內晶型
晶间型
混合型
內晶型增韧机理
微米级陶瓷基体中引入纳米相能显著改善材料的力学性能, 其强韧 化机制主要是由于内晶型结构的形成。 纳米相引入微米级基体中, 造成纳米相在基体中的分布有不同的特 点, 即一部分纳米颗粒位于晶界处, 另一部分纳米颗粒分布在微米晶内 部, 形成 内晶型结构。内晶型结构之所以形成, 其原因是纳米颗粒与基 体颗粒之间存在数量级的差异, 导致在一定温度下基体颗粒总是以纳 米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体颗粒内部, 形成内晶 型结构。这样, 材料结构中既有主晶界又有次晶界。在二者的共同作 用下, 材料的力学性能得到了改善。
不少学者认为“内晶型”纳米相是韧化主因, 认为纳米复合陶瓷韧性的提 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 质晶粒的热膨胀系数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
《陶瓷材料的强韧化》读书报告
河北工业大学材料科学与工程学院《陶瓷材料的强韧化》读书报告专业金属材料班级材料116学号111899姓名李浩槊2015年01月05日目录第一部分........................陶瓷材料简介第二部分........................陶瓷材料的结构第三部分........................陶瓷材料的成型方法第四部分........................陶瓷材料的烧结第五部分........................结构陶瓷材料的传统韧化方式第六部分........................陶瓷材料韧化的进展及纳米材料在陶瓷韧化方面的应用第七部分........................参考文献第一部分陶瓷材料简介陶瓷材料是人类应用最早的材料。
它坚硬，稳定，可以制造工具、用具；在一些特殊的情况下也可以用作结构材料。
陶瓷材料属于无机非金属材料，是不含碳氢氧结合的化合物，主要是金属氧化物和金属非氧化物。
由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫作硅酸盐材料。
它一般包括无机玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷三类。
作为结构材料和工具材料，工程上应用最广泛的就是陶瓷材料。
按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为：1）普通陶瓷（或传统陶瓷）－－主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料。
2）特种陶瓷（或新型陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷）－－主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料。
3）金属陶瓷－－主要指用陶瓷生产方法制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。
陶瓷材料拥有良好的力、热、光、电性能和优异的化学性能。
首先，陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。
陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。
而且，陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。
《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。
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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
陶瓷材料第二相颗粒强韧化
料的强度和韧性。即应力诱导相整理变课件增韧。
11
图2-1 应力诱整导理课相件 变增韧示意图
பைடு நூலகம்
12
经过Lange、Marshall、McMeeking等许多学者的完善，逐 步形成了比较完整的应力诱导相变增韧机理。该理论认为：如 果t- ZrO2相晶粒足够小，或者基体对其束缚力足够大，冷却过 程中t- ZrO2→ m- ZrO2的相变将受到抑制，四方相可稳定保留到 室温。当裂纹受到外应力作用扩展时，基体对t- ZrO2相的约束 力得到松弛，可诱发相变使之转化为单斜晶型。此时伴随着3－ 5％的体积膨胀和1-7％的剪切应变，并对基体产生压应力，使 裂纹扩展受阻、主裂纹延深需要外力做功以增加能量。即在裂 纹尖端应力场的作用下。形成晶粒相变、吸收能量、阻碍裂纹 扩展的屏蔽区。提高了断裂能，整理使课件材料的断裂韧性提高。 13
变弹性应变能，导致其韧性和强度均有不同程度提高。
整理课件
23
在氧化锆陶瓷的t→m中存在着尺寸效应，即在四方多晶氧化锆中，母
相的晶粒大小或在复合型陶瓷中ZrO2的颗粒大小影响Ms温度(马氏体 转变的起始温度)。尺寸效应对增韧陶瓷具有重要的实际意义。
在研究报道中Garvie首先以尺寸效应阐明这个亚稳现象；提出30nm
应力，从而造成表面强化增韧。
整理课件
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氧化锆增韧陶瓷可以通过诱导相变方法如：研磨、喷砂、低温 处理、表面涂层、及化学处理等工艺。在增韧陶瓷表面诱 发四方相至单斜相的马氏体相变，形成表面压应力层，材料的 强度可获得提高。文献对Ce-TZP材料报道,经过还原气氛的 处理,使CeO2还原为Ce2O3而诱发相变,在其表面形成压应力层。 这些都验证了表面强化工艺处理后，具有压应力层的陶瓷材料 对表面小缺陷不敏感，能提高抵抗接触损伤能力。
强韧陶瓷材料的制备与力学性能分析
强韧陶瓷材料的制备与力学性能分析为了满足现代工业对高强度、高韧性材料的需求，强韧陶瓷材料的研究与应用日益受到重视。
本文将探讨强韧陶瓷材料的制备方法以及其力学性能的分析。
一、强韧陶瓷材料的制备方法1. 化学法制备陶瓷材料化学法是一种常用的制备陶瓷材料的方法。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备无机陶瓷材料的方法。
该方法首先通过水解反应制备出溶胶，然后通过凝胶化反应形成凝胶。
最后，通过热处理使凝胶转变成陶瓷材料。
2. 加压烧结制备陶瓷材料加压烧结是一种常用的制备陶瓷材料的方法，通过将陶瓷粉末进行加压，使其颗粒间形成良好的接触，然后经过高温烧结使其结合成致密的块体。
这种制备方法可以提高材料的密度和强度。
二、强韧陶瓷材料的力学性能分析1. 强度分析强度是衡量材料抵抗破坏的能力。
对于强韧陶瓷材料而言，其强度主要由晶界强度和颗粒强度决定。
其中，晶界强度取决于晶界结构和化学键的性质，而颗粒强度取决于颗粒间的结合力。
2. 韧性分析韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
对于陶瓷材料来说，其韧性通常较低。
但通过控制晶界结构和添加适量的增韧相，可以提高陶瓷材料的韧性。
增韧相的存在可以阻止裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。
3. 断裂行为分析对于强韧陶瓷材料的断裂行为分析，裂纹扩展是一个关键问题。
在实际应用中，陶瓷材料往往处于多次载荷的情况下，裂纹会随之扩展，并最终导致材料的失效。
因此，理解和控制裂纹扩展行为对于提高材料的强韧性至关重要。
结论强韧陶瓷材料的制备是多个因素综合作用的结果，包括材料的成分、结构和制备工艺等。
力学性能的分析是对材料性能进行客观评价的手段。
通过对强韧陶瓷材料的制备方法和力学性能的分析，可以为材料的应用提供依据和指导。
进一步的研究和探索将为未来强韧陶瓷材料的发展和应用提供新的思路和方法。
注：本文仅供参考，具体内容和结构可根据实际需要进行调整和扩展。
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。
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第四节 常用电陶瓷陶材料瓷简介，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸
氧化锆固体电解质陶瓷 目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。
铝等。 特种陶瓷 —— 氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物陶瓷等，用于电容器，压电，磁性，电光，高温零件等。
二、陶瓷材料的性能特点 2）相变增韧：由分散相的相变产生应力场来阻止裂纹的扩展。
用于电容器，压电，磁性，电光，高温零 纤维的增强陶瓷基复合材料能显著提高冲击韧性和抗震性，降低陶瓷的脆性，同时陶瓷又保护县委，使之在高温下不被氧化，因此具
有很高的高温强度和弹性模量。
件等。 3． 增强增韧纤维的选择
制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。 目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。
要求基体材料有较高的耐高温性能，与纤维（或晶须）增强体有良好的界面相容性，同时应考虑到复合材料制造的工艺性能 。 要求基体材料有较高的耐高温性能，与纤维（或晶须）增强体有良好的界面相容性，同时应考虑到复合材料制造的工艺性能 。
铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于
制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。
压电陶瓷
铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应， 称为压电陶瓷。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛 酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。
压电陶瓷在工业、国防及日常生活中应用十分广泛。 如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件 等。利用压电效应将机械能转换为电能或把电能转换为 机械能的元件称为换能器。
氧化锆固体电解质陶瓷
ZrO2中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散 的通道，所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主 要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。
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陶瓷材料的强韧化方法概述
鉴于本人在研究生阶段的研究方向与陶瓷材料有关，故本篇所选择的主要内容为陶瓷材料的强韧化方法。
与传统材料相比陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性，但它也存在脆性大、易断裂的缺点，从而大大限制了陶瓷材料在实际生产中的应用。
因此改善陶瓷材料的脆性、增大强度、提高其在实际应用中的可靠性成为其能否广泛应用的关键。
近年来，陶瓷材料的强韧化课题已经受到国内学者的高度重视。
目前已有的强韧化主要措施如下所述。
1、氧化锆相变增韧：当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的t-ZrO2粒子，这会促发t-ZrO2粒子向m-ZrO2的相变，由此产生的相变应力又会反作用于裂纹尖端，降低尖端的应力集中程度，减缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性；
2、微裂纹增韧：由于温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差会在陶瓷基体相和分散相之间产生的弥散均布裂纹。
当导致断裂的主裂纹扩展时，这些均匀分布的微裂纹会促使主裂纹分叉，使得其扩展路径变得曲折，增加了扩展过程的表面能，从而使裂纹快速扩展受到了阻碍，增加了材料的韧性；
3、裂纹偏转增韧：在发生裂纹偏转时，裂纹平面会在垂直于施加张应力方向上重新取向，这就意味着裂纹扩展路径将被增长。
同时，由于裂纹平面不再垂直于张应力方向而使得裂纹尖端的应力降低，因而可以增大材料的韧性；
4、裂纹弯曲增韧：在裂纹扩展过程中，如果遇到基体相中存在的断裂能更大的第二相增强剂就会被其阻止，裂纹前沿如需继续扩展便要越过第二障碍相而形成裂纹弯曲。
这也会使裂纹快速扩展受到了阻碍，从而增加材料的韧性；
5、裂纹桥接增韧：所谓的裂纹桥接是指由增强元连接扩展裂纹的两表面形成裂纹闭合力而导致脆性基体材料增韧的方法。
其增强元可分为两种：一种为刚性第二相，另一种则是韧性第二相；
6、韧性相增韧：韧性相会在裂纹扩展中起到附加吸收能量的作用，这就使得裂纹进一步扩展所需的能量远远超过形成新裂纹表面所需的净热力学表面能。
同时裂纹尖端高应力区的屈服流动使应力集中得以部分的消除，抑制了原先所能达到的临界状态，相应的提高了材料的抗断裂能力；
7、纤维、晶须增韧：纤维和晶须具有高弹性和高强度，当它作为第二相弥散于陶瓷基体构成复合材料时，纤维或晶须能为基体分担大部分外加应力而产生强化。
纤维和晶须的存在也使得裂纹扩展途径出现弯曲从而使断裂能增加。
此外在裂纹尖端附近由于应力集中，纤维或晶须也可能从基体中拔出。
拔出时以拔出功的形式消耗部分能量，同时在尖端后部，部分未拔出或未断裂的纤维或晶须则起到了桥接的作用。
而且在裂纹尖端，由于应力集中可使基体和纤维或晶须发生
脱粘。
以上种种现象都能够使材料的韧性得到提高；
8、表面参与压应力增韧：由于陶瓷断裂往往始于表面裂纹，而表面残余压应力则能有效的阻止表面裂纹的扩展，因此该种方法也能起到增韧的作用。
在实际应用中，河南理工大学的张明等人从纤维（晶须）增韧的机理出发，对以SiCw为晶须增韧后的ZrO2陶瓷复合材料增韧进行了研究。
在文中作者指出SiCw/ ZrO2陶瓷复合材料的晶须增韧机理有两种，即晶须的裂纹转向机制和拔出桥连机制。
在实验观察中发现SiCw/ ZrO2陶瓷复合材料(Y2O3摩尔分数为8%)的断裂韧性随晶须含量的增加而提高，如下表所示。
表中ΔKd为裂纹偏转对于断裂韧性贡献量，而ΔKb则为晶须桥联对于断裂韧性贡献量，ΔK*和ΔK则分别为复合材料断裂韧性的理论计算值和实际测量值。
SiCw/ ZrO2陶瓷复合材料的断裂韧性表
SiCw体积分数（%）
预测值测量值ΔKdΔKbΔK*ΔK
0 3.43
10 0.795 0.62 4.64 4.26~4.58
20 1.047 1.02 5.25 4.51~5.25
30 1.192 1.38 5.77 5.64~5.92
由于材料中不可避免的会出现一定的缺陷，因此其实际测量值必然会比预测值低。
从上表中可以看出，在添加晶须后，材料断裂韧性的理论值逐步提高，而实际测量值也有显著的上升。
作者指出，虽然该实验中材料的断裂韧性受到晶须的裂纹转向和拔出桥连两种不同机制的影响，但是以上两种机制对增韧的贡献均随晶须含量而增加。
由此可见，纤维、晶须增韧是一种理想的陶瓷材料增韧方法。
附：本文参考文献：
张明，赵波，刘传绍等. SiCw/ ZrO2陶瓷复合材料晶须增韧机理与效果预测研究[J].新技术新工艺,2006,12:64-66。