对于块体陶瓷材料,常用的增韧方法主要有相变增韧、微裂纹增韧、弥散增韧、晶须(纤维)增韧、金属颗粒增韧和纳米技术增韧等。

(1)相变增韧:例如,利用四方ZrO2马氏体相变来改变陶瓷材料的韧性。当ZrO,陶瓷受到外加应力作用时,其中的四方相ZrO,颗粒会转变成同素异构体单斜 ZrO,相,同时产生3%~5%的体积膨胀,吸收应变能并弥合裂纹,从而提高材料的断裂韧性。这种由于相变产生的体积效应和形状效应而吸收大量的能量,从而使材料表现出异常高的韧性,就是相变增韧。

(2)微裂纹增韧:微裂纹将起到分散基体中主裂纹尖端能量的作用,并导致主裂纹扩展路径发生扭曲和分叉,从而提高断裂能,引起陶瓷断裂韧性的增加。(3)弥散增韧。例如,基体材料中加入纳米尺度颗粒并弥散分布,对裂纹起钉扎作用,耗散裂纹前进的动力。同时,颗粒在基体中受拉伸时阻止横向截面收缩,消耗更多的能量,达到增韧目的。

(4)晶须(纤维)增韧:晶须(纤维)增韧的机制主要是晶须或纤维在拔出和断裂时,都要消耗一定的能量,有利于阻止裂纹的扩展,提高材料断裂韧性。常用的增强纤维有碳纤维、SiC纤维、B纤维等,碳纤维的密度在1.5~2.0g/cm²³之间。一般陶瓷材料基体和碳纤维的结合不是简单混合,而是一个有机的复合体,它们通过极薄的界面有机地结合在一起,这极大地改善界面与基体的结合强度。

(5)金属颗粒增韧:它是利用铝、镍、铬、铁、钛等韧性金属颗粒作为黏结剂增韧陶瓷材料,通过金属的塑性来吸收外加负荷。其主要增韧机理是增韧相和裂纹之间相互作用,导致裂纹移位或在颗粒处发生偏转,消耗裂纹尖端的能量达到增韧的目的。增韧的效果与两相界面之间的结合强度有着密切关系,但金属颗粒增韧的结果往往降低陶瓷材料的硬度和强度,导致材料的介电性和热稳定性等也下降。为了克服金属颗粒带来的缺陷,人们开始使用其他陶瓷相,如SiC、TiC 等陶瓷颗粒增韧。通过细化基体晶粒和裂纹屏蔽作用,耗散裂纹前进的动力,达到增韧目的。尽管增韧效果不如纤维和晶须,但工艺简便易行,且成本低,只要颗粒的种类、大小、含量等参数选择适当,增韧效果还是十分明显的。含量等参数选择适当,增韧效果还是十分明显的。

(6)纳米技术增韧:纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,纳米技术被公认为21世纪最具前途的科研领域。由于纳米陶瓷晶粒的细化、晶界数量增加,可使材料的强度、韧性大大增加。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合,不仅可大幅度提高其强度和韧性,明显改善其耐高温性能,而且也能提高材料的弹性模量和抗高温蠕变等性能。纳米结构陶瓷材料之所以具有上述特征,是因为纳米粒子细化、晶粒的表面积和晶界的体积成倍增加。纳米材料的这种特殊结构使它产生了小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应,从而引起物理机械性质的一系列变化。新的粉体制备技术已能获得几百、几十或几纳米的陶瓷粉体材料。将纳米复合的概念引入精密结构陶瓷材料的制备,将大幅度提高其强度、韧性和耐高温性。

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