陶瓷增韧方法及其研究进展

陶瓷作业姓名：王槐豪学号：1071900220 班级：0719201陶瓷韧化机理陶瓷最致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响陶瓷材料的应用范围。

只有改善陶瓷的断裂韧性，提高其可靠性和使用寿命，才能是陶瓷真正成为一种广泛应用的新型材料，因此陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。

陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，阻止间断裂纹的扩展的方法有三种。

其一为分散裂纹尖端应力；其二为消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；最后问转换裂纹扩展的能量。

相变韧化受相变诱发塑性钢，即TRIP (transformation induced plasticity)钢的启发，将ZrO 2 t →m 相变M s 点稳定到比室温稍低，而M d 点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生t →m 相变，由于相变产生的体积膨胀效应和形状效应，而吸收大量的能量，从而表现出异常高的韧性。

这就是相变韧化（transformation toughening ）的概念。

韧化机理分析： 1.相变韧化(∆K ICT ) ；d i <d<d c 应力诱发相变增韧(∆K ICT ) t →m 相变产生新的表面吸收能量 ， 同时相变引起的体积膨胀产生压力。

2. 残余应力增韧 (∆K ICS )；• 残余应力→ 闭合阻碍裂纹扩展 →残余应力韧化。

3. 显微裂纹增韧 (∆K ICM )；4. 复合韧化机理；第二相颗粒增韧第二相颗粒增韧，第二相增韧主要增韧机理为残余应力增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、颗粒桥联增韧、延性颗粒增韧；增韧的主要影响因素为物理相容性和化学相容性（不生成有害化合物合适的界面结合强度 1. 应力场模型颗粒∆a=a p -a m ；∆T=T P -T R ；α－材料的热膨胀系数，10-6/K ； E －材料的弹性模量，GPa ； ν－材料的泊松比；m ，p 分别代表基体和第二相增强颗粒； T P －基体不产生塑性变形的最高温度，K T R －所讨论的状态下的温度，Kp pmm E E TP ννα2121-++∆⋅∆=基体 r －球形颗粒半径，mm ；R －基体中某点距离球心的距离，mm ∆a 的影响：∆a>0，σr >0，σt <0，环向裂纹（收敛型）； ∆a <0，σr <0，σt >0，径向裂纹（发散型） ； ∆a ＝0 ，P=0 ，σ＝0； r>r cr c －自发萌生裂纹的邻界第二相颗粒半径2. 临界第二相颗粒尺寸（r c ） 弹性应变能： 颗粒:基体系统 U S =U P +U m =2πkP 2r 3由U S ≥2γmp 得 ；2γmp －萌生单位面积裂纹所消耗的能量，J3. 残余应力增韧 （d<d C ）∆a>0∆a>0☺裂纹停止 ☺裂纹穿过第二相颗粒☺裂纹沿颗粒与基体之间的界面扩展颗粒开裂表面能：γp ＝2πr 2γsp克服阻力做功： W 1=1/2πPr 2u 1W t =γp + W 1=2πr 2γsp +1/2πPr 2u 1界面开裂表面能：b ＝4πr 2γint克服阻力做功：W 2=1/3πPr 2u 2W i =γp + W 1=4πr 2γint +1/3πPr 2u 2u 1≈u 2≈2r εb =2⨯10-3r3)(Rr P r ⋅=σ3)(21Rr P t ⋅-=σ32)21(2r E P U P P P νπ-=32)1(rE P U mm m νπ+=p P m m E E k νν2121-++=312)2(-∝kP r c πint<1/2γSP∆a≈0E P>E m 裂纹沿界面扩展。

焦绥隆等认为 ,陶瓷材料由纯基体的沿晶断 裂转化为纳米复合后的以穿晶断裂为主 ,断裂模 式的改变是增韧补强的主要原因 ,这一点与新原 皓一的观点基本吻合 。他们的分歧在于 ,焦认为 对改变断裂模式起主要作用的不是晶内纳米相 , 而是晶界上的纳米粒子 。在对 Ab2SiC 陶瓷进行 压痕引入裂纹 ,利用 SEM 、T EM 观察裂纹扩展情 况后 ,焦提出“晶界型”结构强韧化机理 : (1) 主晶 界被纳米粒子局部强化 。纳米相与基质产生良好 的结合 ,纳米粒子有固定晶界 、强化晶界的作用 。 (2) 晶界纳米粒子对裂纹的“钉扎”和偏折作用 。 由于热膨胀系数和弹性模量不同 ,基体对晶界上 的纳米粒子的径向压应力产生“虎钳”作用 ,使沿 主晶界扩展的裂纹遇纳米粒子后发生“钉扎”,然 后在更大的外力作用下使裂纹偏折进入晶内 ,形 成穿晶断裂 。(3) 晶界纳米粒子形成有利的应力 分布 。当纳米相的弹性模量大于基质的时 ,纳米 粒子周围形成切向压应力 ,使得朝向纳米粒子扩 展的主裂纹尖端远离该粒子所在晶界而向晶内挺 进 ,并增加了裂纹扩展路径 。
响整个部件的正常工作 。同样 ,尽管可以畅想将 一些陶瓷部件用在发动机中取代金属部件大幅度 地提高热效率 ,但是在真正实施这一想法的过程 中 ,人们却变得十分谨慎 ,因为脆性的陶瓷材料能 否经受得住发动机工作时经常出现的急冷急热的 考验 ,目前仍然是一个令人忐忑不安的问题 。
因此 ,陶瓷的韧化成为陶瓷材料研究领域的 核心课题 。到目前为止 ,已经探索出若干种韧化 陶瓷的途径[3] ,并已收到了显著的韧化效果 ,与此 同时 ,对其韧化机理也进行了较深入探讨 。
陶瓷材料作为技术革命的新材料 ,早在十几 年前就引起了美国的关注 。近年来 ,由于日本 、美 国 、欧洲的竞相研究 ,陶瓷材料技术得到迅速发 展 。作为能适应各种环境的新型结构材料 ,陶瓷 材料已步入了实用化阶段 。为使陶瓷在更大范围 内达到实用化 ,还必须解决两大问题 ,一是陶瓷的 惰性 ,二是陶瓷的脆性 。只有改善陶瓷的破坏韧 性 ,才能实现材料的高强化 ,提高其加工性能和材 料表面抗损伤的能力 ,延长材料寿命 ,同时控制新 的破坏源的生成 ,进一步降低成本 。目前 ,科学家 们在如何改善陶瓷破坏韧性方面进行了广泛的研 究[1] 。

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。

的作 用 ， 而 抑制 了 主 裂 纹 的 快 速 扩 展 ， 高 了 材 从 提 料 的韧性 ， 种机 制 称作 微裂纹 增 韧 。 这
ｌ３ 残 余 压应 力增 韧 －
化 锆 的 相 变将 促 成 材 料 强 度 的提 高 以及 韧性 的 增
加 。氧化锆的这一特性使它在陶瓷材料中成为一种 非常有效的强化和增韧的添加物 ，由此构成了系列 的 氧化 错增 韧 陶瓷 。 氧化 锆增 韧 陶瓷 的出现 ， 为改 善
（ 山束省 山水 团经 济逞 行调 控 中心 ， 南 ２ ０ ０ ） （ 济 ５ ３ ７ 山束 大 学材 耳 学院工 程 陶瓷 蜜验 室 ， 南 ２ ｏ ６ ） Ｉ 济 ５ ｏ １
摘 要 增 韧补 强 对 于脆 性 陶瓷 材料 来 说是 一 个永 恒 的课题 ， 料 科 学工 作 者 对 此 材
气 孔 和 夹 杂 物 等 极 细 微 的缺 陷都 很 敏 感 的脆 性 材 料 。在 改 善 和提 高 韧 性 的过 程 中 ， 料 工作 者 们 向 材 陶 瓷基 体 内添 加 各 种 陶瓷 颗 粒 、 维 及 晶须 或 它 们 纤 的复合物 ， 备 出各种陶瓷及复合材料 ， 制 并且 成 功
生微 小的裂 纹 ， 这是 材料 韧性 增 加 的表现 。因此 ， 氧
纹， 这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程
中会 导致 主裂 纹 分叉 或 改 变 方 向 ， 加 了 主裂 纹 扩 增
展 过程 中 的有 效 表 面 能 ， 外 裂 纹 尖 端 应力 集 中 区 此 内微 裂 纹 本 身 的 扩 展 也 起 着 分 散 主裂 纹 尖 端 能 量
地 应 用于 实 际工 业 生 产 中 ， 得 了可 喜 的 成果 。本 取
文 综 述 陶 瓷基 复 合 材 料 的增 韧 补 强 的 方法 和 相 关