眾所周知，陶瓷材料均有一個致命的共同缺陷--“脆性”。陶瓷材料的脆性是物質的化學鍵合性質和它的顯微結構所決定的，是陶瓷材料與生俱來的特性。下文將與大家一起探討陶瓷材料的脆性及改善方法。

一、陶瓷為啥會“脆”呢？

陶瓷材料都是由離子鍵或共價鍵所組成的多晶結構，它缺乏能促使材料變形的滑移系統。且其制備過程中不可避免的在材料表面殘留微缺陷，這些缺陷均有可能構成裂紋源，材料一旦受到外加的負荷，應力就會在這些裂紋的尖端集中。在陶瓷材料中若沒有其他可以消耗外來能量的系統，便只有以新的自由能予以交換。所謂新的自由能就是裂紋尖端的擴展所形成的新的表面所吸收的能量，這樣的結果就造成裂紋的快速擴展而表現為所謂脆性斷裂。

家用陶瓷刀又快又鋒利，但也很脆，

特別是有喜歡用來剁雞，剁骨頭，剁榴蓮的，

小手一剁，幾百大洋就沒了！

二、如何改善陶瓷的脆性？

陶瓷材料的脆性在很大程度上影響了材料性能的可靠性和一致性，因此研究陶瓷材料的脆性問題，并提出改善它的有效途徑是許多陶瓷材料研究人員的重點工作，從陶瓷材料脆性的基礎認識研究到有效改善途徑的實施，首先是材料中弱界面的建立，諸如纖維補強陶瓷基復合材料、復相陶瓷材料、自增韌陶瓷材料、疊層復合材料、陶瓷材料的晶界應力設計。還有氧化鋯增韌陶瓷材料、功能梯度材料、納米陶瓷材料等都是行之有效的，下文將為大家做簡單的資料整理。

1.陶瓷材料中弱界面系統的建立

既然在陶瓷材料中沒有可以吸收外來能量的機構存在，那么是否有可能在陶瓷材料中人為地造就一些弱的界面結構，而使裂紋的擴展可以通過它們的解離來吸收外來能量，而不至于損害整個材料。于是經過多人多年的實踐，已經有許多可行方案，詳見下文分解。

①纖維補強陶瓷基復合材料

用纖維(或晶須)以一定的方式加入到陶瓷的基體中去，一方面可以使高強度的纖維(晶須)來分擔外加的負荷，另一方面可以利用纖維(或晶須)與陶瓷基體的弱的界面結合(這點是可以做到的)來造就對外來能量的吸收系統，從而達到改善陶瓷材料脆性的目的。

應用舉例：陶瓷基復合材料可應用于飛機發動機Leap，CMC組件引進發動機渦輪罩襯里，改進后的發動機需要的冷卻空氣量遠遠小于鎳基超級合金，且擁有更低的比重，可比以往發動機節省燃油約15%。

②復相陶瓷材料

兩種不同的材料在一起，由于它們熱膨脹系數和彈性模量的不同而必然在兩個物質之間產生應力，這種在晶粒界面上所存在的應力是造就弱界面的主要根源。很多研究結果表明，若其中有一種物質是納米級的晶粒存在于另一種物質的微米級晶粒之中，被稱之為納米-微米晶內復合，它們的強度與韌性居然有驚人地提高。

舉個例子：研究表明在氧化鋁的基體中加入有納米SiC（5 %）和四方相 ZrO2(15%)，它的強度居然可達 1200 MPa（一般的氧化鋁陶瓷材料的強度只有300Ma左右）；最近的報道低，溫燒結的α和β相所組成的氮化硅復相陶瓷材料，其強度居然可以達到 1600MPa左右。

③自增韌陶瓷材料

前面提到的是用纖維或晶須加入到陶瓷的基體中起到了強化與增韌的效果。由于具有大的

長徑比的纖維或晶須與顆粒狀的陶瓷基體很難做到均勻的分布，以致造成復合材料性能的分散。人們不由地設想，假如有可能在陶瓷的基體中自己能夠形成具有一定的長徑比的形態，不就可以達到與纖維或晶須補強陶瓷一樣的異曲同工的效果嗎?

于是人們可以通過特殊的工藝處理， 可以使陶瓷坯體中的一部分組分自行生成具有一定的長徑比的形態。例如在氧化鋁陶瓷在燒結過程中有少量的液相參與，可以引發氧化鋁晶粒的異向生長，在氧化鋁的基體中形成眾多的有較大長徑比的棒狀晶體 可以使氧化鋁陶瓷材料的強度和韌性都有相當程度的提高。

④疊層復合材料

人們從自然界中存在的貝殼顯微結構的啟示中，提出了疊層復合材料的構想。即把兩種不同組分的材料以三明治的方式堆疊起來，組成多層平行界面的疊層復合材料。這樣設計的材料結構具有眾多的和應力方向垂直的弱界面，這些弱界面是造成主裂紋擴展路徑扭曲的主要原因，也是促使材料韌性提高的重要因素。同時，在界面間由于在層的兩邊是不同的材料，必然由于兩者在彈性模量和熱膨脹系數上的差異而產生殘余應力。這種殘余應力在一定的限度以內，恰恰是補強和增韌的主要原因。當然，在夾層物質中有一種是具有較大塑性變形能力的，則除其本身可以通過塑性變形來吸收外來能量外還可作為裂紋尖端形成橋聯的媒介。

⑤陶瓷材料的晶界應力設計

用不同相的材料所組成的復相陶瓷，或者在晶界上引入不同組分的玻璃態物質，由于兩者物性上的差異，人為地造成在陶瓷材料中的物理上的失配，以使在材料的界相間造成適當的應力狀態，從而對外加能量起到吸收、消耗或轉移的作用，以達到對陶瓷材料強化與增韌的目的.實驗證實這種應力的存在，在很多場合下對力學性能的提高是有利的。

2.氧化鋯增韌陶瓷材料

自從陶瓷鋼的設想被提出以來，氧化鋯增韌陶瓷材料的研究一直長盛不衰。氧化鋯化合物具有三種晶型，高溫型是立方型、中溫型是四方型，常溫下是單斜型。但是在外應力的抑制下，中溫型的四方相的氧化鋯可以在室溫下介穩地保持著。一旦在材料受到外力作用，這種受抑制的介穩四方相氧化鋯就會發生相變，在其相變的過程中要吸收一定的能量，這無疑是起著消耗外來能量的作用。同時在相變過程中，將要發生3 %~5 %的體積變化，其結果是在裂紋尖端的周圍產生微小的裂紋，這是材料韌性增加的表現。

因此，氧化鋯的相變將促成材料的強度的提高以及韌性的增加。氧化鋯的這一特性使它在陶瓷材料中成為一種非常有效的強化和增韌的添加物，由此而構成了系列的氧化鋯增韌陶瓷。

在氧化鋯增韌陶瓷材料中最主要的是四方相氧化鋯多晶體(TZP)，它被認為是先進陶瓷材料中室溫力學性能最佳的一種材料。

現今“極具爭議”的彩色四方晶氧化鋯手機背板，

很貴，耐摔，耐磨，媽媽再也不怕我手殘了~

注：極具爭議指該不該，不是懷疑它性能不行！

3.功能梯度材料

在制作陶瓷涂層的工藝中，為了要獲得較厚的涂層，或者是由于金屬基體與陶瓷涂層在熱學和力學性能上的較大差異，往往需要采用涂層組成的梯度變化，以求得到性能好和結合強度高的陶瓷涂層。

舉個例子：一面金屬，一面陶瓷材料的結構。一面的組分是金屬材料，它可以在很大程度上像金屬材料那樣使用, 它的韌性高,可以用金屬的工藝來與其他金屬部件連接起來，另一面則可以是耐高溫的陶瓷材料，這是極其巧妙的思路，它很好地避開了陶瓷脆性的弱點。

熱障涂層系統結構，Padture N P，Science, 2002

關于陶瓷涂層材料的相關制備工藝可查看“精細陶瓷的另一重要應用形式：陶瓷涂層”

4.納米陶瓷材料

從材料顯微結構看，材料中晶粒尺寸與材料性能有直接的關系。當陶瓷材料的晶粒細化達到納米量級的水平時，材料性能將有明顯異常優秀的表現。

舉個例子：部分穩定氧化鋯陶瓷，由3%（摩爾）氧化釔和氧化鋯的固溶體粉末經過常壓燒結制成，其中氧化釓以平均直徑為0.3μm的微細結晶分散在氧化鋯之中，這種氧化鋯陶瓷加熱到1200℃以上進行變形實驗時，在一定的拉伸速率下可伸長12%。

素材來源：

1、關于陶瓷材料的脆性問題，中國科學院 上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷與超微結構國家重點實驗室，郭景坤著。

編輯：Alpha