陶瓷强化与韧化资料

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。

碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望
碳化硼陶瓷具有高硬度、高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点，是一种重要的结构材料。

但其本身的脆性限制了其应用范围。

为了提高碳化硼陶瓷的韧性和致密度，研究人员采用了多种方法进行增韧和补强，目前已取得了一系列进展。

1.纳米晶：纳米晶材料可以提高材料强度和韧性，可以大幅度降低材料的脆性，同时极大地提高材料的耐磨性和抗腐蚀性。

纳米晶碳化硼陶瓷的强度可以达到10GPa以上，而且其韧性也比传统碳化硼陶瓷高。

2.增韧剂：常用的增韧剂有氧化铝、氮化硅、碳等，这些增韧剂可以通过控制络合反应、晶格匹配等机理使其与基体产生协同效应，提高材料的强度和韧性。

3.纤维增强：纤维增强技术是一种有效的增强手段。

已经研究出了碳纤维增强和SiC纤维增强碳化硼陶瓷，可以提高其力学性能和韧性。

4.混合成型：混合成型是将不同颗粒形状、大小、化学组成的原料混合起来，再进行烧结成型。

混合成型可以通过改变组成、晶粒组织和脆性相分布来提高材料的韧性和强度。

5.涂层技术：在碳化硼陶瓷表面增加铜、钛、NbC等材料的镀层可以有效地提高碳化硼陶瓷的抗压强度和韧性。

总之，碳化硼陶瓷的增韧和补强技术已经取得了很大进展，未来的研究方向是进一步探索新的增韧剂、提高制备工艺、改善材料微观结构、研究材料在高温和复杂环境下的性能等。

陶瓷材料的强韧化原理
陶瓷材料的强韧化原理主要有以下几种：
1. 增加材料的晶界粘结强度：通过控制材料的制备工艺和添加适量的晶界增强剂，能够增加晶界的粘结强度，从而提高材料的韧性。

2. 引入位错和塑性变形机制：通过在陶瓷材料中引入适量的位错和塑性变形机制，使材料能够发生塑性变形，从而提高其韧性。

3. 控制材料的微结构：通过调控陶瓷材料的微结构，如晶粒尺寸、分布等，可以改变材料的断裂方式，从而提高其韧性。

4. 添加增韧相：通过向陶瓷材料中添加适量的增韧相，如纤维、颗粒等，能够提高材料的韧性，使其能够吸收和分散应力，防止裂纹扩展。

以上是陶瓷材料强韧化的一些常见原理，具体的强韧化方法需要根据具体的材料和应用来选择和设计。

纳米陶瓷及其增韧补强研究随着科学技术的快速发展，纳米材料得到了越来越多的研究和应用。

在工程领域中，纳米材料的应用越来越广泛，特别是纳米陶瓷材料在制备工艺、性能及应用等方面的研究取得了重要进展。

纳米陶瓷材料具有优异的力学性能、化学稳定性和热稳定性，这些特点使其成为先进材料领域中的重要研究方向。

纳米陶瓷材料通过优化制备工艺，可以使其具有更高的密度、更优异的力学性能、更高的化学稳定性和更好的耐热性。

在此基础上，纳米陶瓷的应用和发展可以进一步推动先进材料领域的发展。

为了解决纳米陶瓷材料中容易出现的脆性断裂等问题，研究人员引入了增韧补强技术。

利用增韧补强技术可以改善纳米陶瓷材料的断裂性能，提高其挠度和韧度等性能。

目前，常见的增韧补强方法主要包括添加纳米增韧相、添加纳米颗粒、添加纤维增韧相和添加涂层增韧相等。

纳米增韧相是目前应用广泛的一种增韧补强方法。

通过添加少量的纳米增韧相，可以有效地增强纳米陶瓷的断裂韧性和韧度。

其增韧机理主要是纳米增韧相对于基体材料具有更高的自由能，因此当纳米增韧相与基体材料接触时，会在界面产生大量常规增韧相所缺乏的非常规微观结构，从而提高材料的力学性能。

添加纳米颗粒也是一种常见的增韧补强方法。

纳米颗粒的加入可以增加材料的疏松性，增加材料的变形能力，从而增加材料的挠度和韧度。

同时，纳米颗粒的粒径较小，能够使其形成更多的微结构，增强其在材料中的分散度和界面能，进一步提高材料的性能。

添加纤维增韧相是另一种增韧补强方法。

纤维增韧相可以增加材料的拉伸能力和缓冲能力，有效地阻止材料的微裂解产生并扩展。

同时，纤维增韧相的长度也能够控制材料的断裂行为，使其呈现出更多的塑性行为，在一定程度上增加材料的韧度。

最后，添加涂层增韧相也是一种常见的增韧补强方法。

其主要是在材料表面上涂覆一层增韧相，从而改变材料的断裂机制。

添加涂层增韧相可以使材料在断裂前形成局部的压应力区域，从而使材料的能量吸收能力得到提高，从而增加材料的韧度。