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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：
11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。
12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ZrO2Si3N4SiO2Al2O3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415MPam12，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
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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。
13相变增韧
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。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂。近十年来具有各种性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2为r