脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状.pdf

第23卷第2期材料开发与应用·77·

文章编号:100321545(2008)0220077206
脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状

张光磊1,邢朋飞2,高辉1,吕臣敬1,周云昭1
(1.石家庄铁道学院材料科学与工程分院,河北石家庄050043;2.洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039)

摘要:从陶瓷断裂的基本理论入手,对比了相变增韧、微裂纹增韧、纤维增韧和纳米颗粒增韧等技术应用到陶
瓷领域的增韧机理及其实施方法,举例阐述了这些增韧方法的应用,并对其发展前景进行了展望。
关键词:脆性陶瓷;增韧;机理;应用
中图分类号:TQ174.1文献标识码:A

陶瓷材料作为技术革命的新材料,早在十几响整个部件的正常工作。同样,尽管可以畅想将
年前就引起了美国的关注。近年来,由于日本、美一些陶瓷部件用在发动机中取代金属部件大幅度
国、欧洲的竞相研究,陶瓷材料技术得到迅速发地提高热效率,但是在真正实施这一想法的过程
展。作为能适应各种环境的新型结构材料,陶瓷中,人们却变得十分谨慎,因为脆性的陶瓷材料能
材料已步入了实用化阶段。为使陶瓷在更大范围否经受得住发动机工作时经常出现的急冷急热的
内达到实用化,还必须解决两大问题,一是陶瓷的考验,目前仍然是一个令人忐忑不安的问题。
惰性,二是陶瓷的脆性。只有改善陶瓷的破坏韧因此,陶瓷的韧化成为陶瓷材料研究领域的
性,才能实现材料的高强化,提高其加工性能和材核心课题。到目前为止,已经探索出若干种韧化
料表面抗损伤的能力,延长材料寿命,同时控制新陶瓷的途径[3],并已收到了显著的韧化效果,与此
的破坏源的生成,进一步降低成本。目前,科学家同时,对其韧化机理也进行了较深入探讨。
们在如何改善陶瓷破坏韧性方面进行了广泛的研
究[1]。2陶瓷的增韧机理及其实施方法

1陶瓷的断裂问题要提高作为裂纹扩展抗力的韧性,需要缓和
裂纹尖端的应力集中,增大断裂所需的能[4]。对
陶瓷材料是离子键和共价键晶粒构成的多晶于除高温以外无法依靠塑性变形的陶瓷,其断裂
材料,因抵抗裂纹孪生和发展的能力小,缺乏像金机理有以下几种:相变、显微裂化、裂纹弯曲、裂
属材料那样具有塑性变形的能力,决定了其脆性纹转向、拉脱、桥接效应[5]和残留应变能效应。相
本性,因此作为工程材料在应用中受到很大限变仅适用于氧化锆等有限的材料,因此,显微裂
制[2]。陶瓷材料脆性大,对内部缺陷敏感,裂纹一化、裂纹弯曲和裂纹转向便成为含粒子分散系的
经产生往往就迅速扩展,使材料呈现无预兆的灾陶瓷烧结体的重要强韧化机理[6]。虽然相变以外
难性突然断裂。因此,陶瓷部件与金属部件相比的机理也起作用,但各种机理所起的作用尚不能
可靠性较差,这已成为影响陶瓷材料推广应用的定量表达。拉脱和桥接效应可望通过晶须和粒子
瓶颈。比如在电子工业中,陶瓷电容器、陶瓷封装分散实现复合化,也可认为与晶须等引起的裂纹
基片、压电陶瓷和电致收缩陶瓷等已经得到了迅弯曲、转向等有关联[7]。裂纹弯曲、转向是局部不
速的发展,但是这些元器件在实际工作中与金属均匀的裂纹,可理解为显微裂纹的形成2扩展,也
的热膨胀匹配问题一直令学者们忧虑,因为一个可认为包含显微裂化。残留应变能效应可以缓和
较低的热应力就足以使陶瓷元器件产生脆裂而影显微裂纹形成的主裂纹应力集中,进而提高韧性,

收稿日期:2007211228
作者简介:张光磊,男,1975年生,博士、副教授,主要从事功能陶瓷材料的研究。
·78·材料开发与应用2008年4月

在理论上证明是可行的,对于不能依靠塑性变形作用的影响,Whitney的热力学计算表明,在大于
的脆性材料是一个重要机理[8]。或等于3700MPa的压力下,四方相可以维持到
2.1相变增韧室温[13]。
[9]
相变增韧ZrO2长石质陶瓷是一种极有发2.2纤维增韧
[14]
展前途的新型结构陶瓷,它主要是利用ZrO2相在陶瓷材料中加入纤维来改善陶瓷材料
变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,的脆性,增强陶瓷材料的韧度和强度,包括长纤维
使其具有优良的力学性能、低的导热系数和良好增韧、短纤维增韧、晶须及颗粒增韧等。
的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的2.2.1长纤维增韧
韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向

韧剂。ZrO2在常压及不同的温度下,具有立方异性,即沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于

(c2ZrO2)、四方(t2ZrO2)及单斜(m2ZrO2)等3种横向性能。这种纤维的定向排布是根据实际构件
不同的晶体结构[10]。的使用要求确定的,即主要使用其纵向性能。在
单向排布长纤维陶瓷基复合材料中,韧性的提高
来自方面的贡献即纤维拔出、纤维断裂及裂纹
实际上,上式中的转变是t2ZrO2在冷却过程3,
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