中国粉体网讯 先进陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨损和较低的密度、热膨胀低等优异的性能，已在航天航空、能源、机械、汽车、化工、冶金等领域中将其置于重要地位。
对传统陶瓷而言，如果说它的脆性还能彰显一种“脆性美”，显得与众不同，那对先进陶瓷而言，这一属性就像木桶的“短板”一样，导致其使用可靠性和抗破坏性较差，从而制约了结构陶瓷在工程上的更广泛应用和产业化进程。
陶瓷的脆性是怎么来的
陶瓷材料的脆性主要来自其结构和键性的特点，这是一种缺乏滑移系统的结构，材料内部位错的产生和运动困难，材料的变形受到限制，塑性变形极难产生。在较大载荷的作用下加工过程在材料表面形成的微缺陷会快速扩展形成脆性断裂。对陶瓷材料脆性以及增韧补强的研究是陶瓷材料应用的前提，也是当前研究的主流方向。
虽然陶瓷的脆性是由物质结构本质决定的，但是根据陶瓷材料的裂纹扩展行为及其断裂机理认为，借助于对裂纹扩展条件的控制，可在一定程度上提高陶瓷韧性。下面我们就来了解一下几种陶瓷增韧技术。
陶瓷增韧技术
1、自增韧
改变陶瓷材料的烧结工艺或者引入纳米添加物，可使基体晶粒异相生长成棒状晶粒，这些棒状晶粒能够产生类似纤维的增韧效果。
目前，自增韧陶瓷主要有Si3N4、Sialon、Al2Zr2C、Ti2B2C、SiC、Al2O3等。最典型的原位增韧陶瓷材料是原位增韧的Si3N4陶瓷，氮化硅晶体具有生长各向异性，在高温时，其α相能够向β相转变，β-Si3N4晶体会继续长大，使其显微结构发生变化。因此，可通过合理的成分设计和最佳的工艺条件，控制晶粒的形核和生长来获得一定尺寸和长径比的β-Si3N4棒晶，从而达到提高断裂韧性的目的。
2、纤维补强
将纤维加入到陶瓷的基体中去，高强度纤维的存在一方面可以分担部分外加负荷，另一方面也可以在纤维与陶瓷基体之间形成弱结合界面，这些弱界面的破坏可以吸收一部分外加负荷，增加材料断裂难度，从而加强陶瓷材料的强韧度。纤维对陶瓷材料的增韧效果主要表现在材料内部纤维拔出，纤维桥接，裂纹偏转和微裂纹的产生。
3、颗粒弥散增韧
颗粒弥散增韧主要是指在陶瓷基体中加入硬度较高的颗粒，弥散颗粒的存在能够阻碍材料被拉伸时在与拉伸方向垂直截面上的收缩，材料进一步的变形需要增加拉应力，增加了材料的断裂难度，这对陶瓷材料具有增韧效果。此外，弥散颗粒也能够对裂纹产生钉扎作用和偏转效应。颗粒弥散增韧陶瓷材料因其工艺的简单易控制和较大的增韧有效性温度区间，能够作为一种高温增韧方式。目前对如下颗粒弥散增韧陶瓷材料有较多研究：SiCp/Al2O3、ZrO2p/Al2O3、(ZrO2p+SiCp)/Al2O3、ZrO2p/Si3N4、TiCp/Al2O3等，但增韧幅度都不大。
4、氧化锆相变增韧
应力诱导相变增韧和微裂纹增韧是氧化锆相变增韧的主要实现方式，目前对应力诱导相变增韧的研究较多，氧化锆相变增韧的实现可以通过在材料基体中添加稳定剂并进行一定的热处理以使四方氧化锆能够以不稳定状态存在，这种状态下的氧化锆晶粒会在裂纹尖端应力存在的情况下发生t－m相变。除相变过程中材料内部产生的新断裂表面能够吸收能量外，伴随相变过程发生的材料体积膨胀也能够吸收能量。
至今为止，利用部分稳定氧化锆相变增韧是最为成功的方法之一。
5、纳米陶瓷增韧
纳米陶瓷材料是指将所制备的纳米尺度原材料通过特殊的合成工艺合成的具有纳米相的陶瓷材料。实验证实，加工到纳米尺度的物质相比于常态下的物质会表现出一些特异效应，主要包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，其中小尺寸效应在改善材料性能方面处于主导地位，而纳米颗粒表现出的高化学活性来自使纳米晶粒表面积、表面能及表面结合能迅速增大的表面效应。研究表明，纳米陶瓷材料在改善陶瓷材料硬度和强度方面具有巨大的优越性。
6、纳米复合增韧
基于对纳米陶瓷材料的认识，并通过借鉴多元复相陶瓷材料的增韧机理，纳米复合陶瓷材料的研究引起广泛关注并取得了许多进展，通过纳米改性，陶瓷的硬度、强度和断裂韧性都有很大改善。纳米复合陶瓷增韧机理主要有以下3个方面：
（1）纳米弥散相能够抑制基体晶粒的生长，减轻晶粒的异常长大，这对于均匀细晶粒结构的形成和大晶粒缺陷数量的减少是很有利的，能够在很大程度上提高材料的力学性能。
（2）陶瓷材料内部晶内/晶间混合型结构的存在在基体晶粒内形成残余应力，该应力一方面可以强化晶界，另一方面也弱化晶粒，这导致了材料断裂模式从沿晶断裂到穿晶断裂的转变，而穿晶断裂所形成的非平面裂纹能够吸收更多的能量。
（3）纳米粉颗粒的表面效应使其具有较高的表面活性。这一特点使纳米粉与基体粉之间很容易结合，烧结时很容易致密化，而且使烧结温度降低，从而提高了复合粉体的烧结活性，降低了烧结温度，并提高了材料的力学性能。
7、其他方法
除上述方法外，陶瓷材料烧结致密后的加工和退火处理对材料力学性能也有较大影响，所以后处理对高性能纳米复合陶瓷刀具材料力学性能的影响也是不容忽视的。另外有研究表明，各种增韧机理能够产生协同作用，但这种协同作用并非适用于任意的几个增韧机理叠加，而且这种协同增韧在效果上也不是简单的累加。
参考来源：
[1]贾孝伟等.陶瓷材料增韧补强方法的研究
[2]王瑞凤等.陶瓷材料增韧机理的研究进展
[3]邹东利.陶瓷材料增韧技术及其韧化机理
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