如何處理陶瓷材料的脆性

眾所周知，陶瓷材料有一個(gè)致命的共同缺陷，那就是脆性。陶瓷材料的脆性是由化學(xué)鍵及其微觀(guān)結構決定的，是陶瓷材料的固有特性。在下面的段落中，我們將討論陶瓷材料的脆性以及改善它們的方法。

陶瓷為什么會(huì )脆？

陶瓷材料是由離子鍵或共價(jià)鍵組成的多晶結構，因此它們缺乏可以使材料變形的滑移系統。在制備過(guò)程中，難免會(huì )在材料表面留下微小的缺陷，從而可能形成裂紋源。一旦材料受到外部載荷，應力將集中在這些裂紋的尖端。在陶瓷材料中，如果沒(méi)有其他系統可以消耗外部能量，則只能交換新的自由能。所謂新自由能就是裂紋尖端擴展形成的新表面所吸收的能量，從而導致裂紋的快速擴展和所謂的脆性斷裂。

如何改善陶瓷的脆性？

陶瓷材料的脆性在很大程度上影響了材料性能的可靠性和一致性。因此，研究陶瓷材料的脆性并提出有效的改善方法是許多陶瓷研究人員的重點(diǎn)工作。下面將為大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的數據整理。

1.陶瓷材料弱界面體系的建立

既然陶瓷材料中沒(méi)有可以吸收外部能量的機制，那么是否可以人為地在陶瓷材料中制造一些弱界面結構，使裂紋的擴展可以通過(guò)其解離吸收外部能量而不破壞整個(gè)材料？經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，有很多可行的解決方案。

* D-增強陶瓷基復合材料

纖維（或晶須）以某種方式添加到陶瓷基體中。一方面，高強度纖維（晶須）可以分擔額外的負荷；另一方面，可以利用纖維（或晶須）與陶瓷基體之間的弱界面來(lái)創(chuàng )造吸收外界能量的系統，從而改善陶瓷材料的脆性。

例如，研究表明，在氧化鋁基體中加入納米碳化硅（5%）和四氧化鋯（15%）可以達到1200MPa的強度（普通氧化鋁陶瓷材料的強度只有300Ma左右）。

* 自增韌陶瓷材料

如上所述，在陶瓷基體中加入纖維或晶須以增強和增韌。然而，大縱橫比的粒狀陶瓷基體難以實(shí)現纖維或晶須的均勻分布，從而導致復合性能的分散。因此，人們假設如果能在陶瓷基體中形成具有一定縱橫比的形狀，就可以達到與用纖維或晶須增強陶瓷相同的效果。

因此，陶瓷體的一部分可以通過(guò)特殊加工自行產(chǎn)生一定的縱橫比。例如，氧化鋁陶瓷燒結過(guò)程中的少量液相可以誘導氧化鋁晶粒的各向異性生長(cháng)，而氧化鋁陶瓷材料的強度和韌性可以通過(guò)形成大量的棒狀晶體而大大提高。氧化鋁基體中的大縱橫比。

* 層壓復合材料

層狀復合材料的構想是從自然界中的海螺微觀(guān)結構提出的，即將兩種不同組分的材料堆疊成夾層，形成具有平行界面的多層層狀復合材料。樣品設計的材料結構有許多垂直于應力方向的弱界面。這些薄弱的界面是主要裂紋擴展路徑發(fā)生畸變的主要原因，也是提高材料韌性的重要因素。同時(shí)，由于層兩側的材料不同，它們之間的彈性模量和熱膨脹系數不同，必然會(huì )產(chǎn)生殘余應力，而這種在一定限度內的殘余應力是主要原因用于加固和增韌。

2.氧化鋯增韌陶瓷材料

自提出陶瓷鋼構想以來(lái)，氧化鋯增韌陶瓷材料的研究蓬勃發(fā)展。氧化鋯化合物具有三種晶體類(lèi)型：高溫為立方，中溫為四方，常溫為單斜。然而，中溫型四方晶氧化鋯在外部應力的抑制下可以在室溫下保持穩定。一旦材料受到外力作用，受約束的介穩四相氧化鋯將發(fā)生相變。在相變過(guò)程中，會(huì )吸收一定的能量，這無(wú)疑起到了消耗外界能量的作用。同時(shí)，相變過(guò)程中會(huì )發(fā)生3%～5%的體積變化。結果，裂紋尖端周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生微小的裂紋，

因此，氧化鋯的相變會(huì )促進(jìn)材料強度和韌性的增加。氧化鋯的這一特性使其成為陶瓷材料中非常有效的強化增韌添加劑，從而形成了一系列氧化鋯增韌陶瓷。四方氧化鋯多晶（TZP）是最重要的氧化鋯增韌陶瓷材料之一，被認為在室溫下具有最佳的機械性能。

3. 功能梯度材料

在陶瓷涂層過(guò)程中，為了獲得較厚的涂層或由于金屬基體之間熱力學(xué)性能差異很大，往往需要涂層成分的梯度變化以獲得性能良好和結合強度高的陶瓷涂層。和陶瓷涂層。

4. 納米陶瓷材料

從微觀(guān)結構的角度來(lái)看，晶粒尺寸與材料性能之間存在直接關(guān)系。當陶瓷材料的晶粒尺寸達到納米級時(shí)，陶瓷材料的性能將明顯優(yōu)異。例如，部分穩定的氧化鋯陶瓷是由3%（mol）氧化釔和氧化鋯的固溶體粉末通過(guò)常壓燒結制成，其中氧化釓以平均直徑為0.3μm的細晶分散在氧化鋯中。當加熱到1200℃以上時(shí)，氧化鋯陶瓷可以在12%的一定拉伸率下伸長(cháng)。