脆性轉韌性：特種陶瓷的“脫胎換骨”之術

發布時間 | 2020-01-16 14:58 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 3888

稀土碳化硅氮化硅氧化鋯氧化鋁

導讀：陶瓷顯而易見的本征屬性就是——脆性，具體表現為在外加應力作用下會突然斷裂，抗沖擊強度低、溫度劇變承受能力差，極大地限制了其應用范圍。對于一些軍用或特殊場合使用的特種陶瓷而言，提高陶瓷...

“木剛易折，水滴石穿”。古人根據生活經驗總結出的規律，往往淺顯易懂、深入淺出。有時候，真正的強大并非源于剛硬，卻往往歸于柔韌。一個掌握柔韌能力的人，往往如脫胎換骨一般，在社會中游刃有余。做人如此，陶瓷亦如是。

陶瓷材料的鍵性主要是離子鍵與共價鍵，而且往往是兩種鍵雜交在一起，這就決定了其本質：剛硬有余，韌性不足。陶瓷顯而易見的本征屬性就是——脆性，具體表現為在外加應力作用下會突然斷裂，抗沖擊強度低、溫度劇變承受能力差，極大地限制了其應用范圍。對于一些軍用或特殊場合使用的特種陶瓷而言，提高陶瓷韌性才能使其“脫胎換骨”，雄霸天下！

根據Griffith微裂紋理論，實際材料中存在許多微裂紋或缺陷，在外力作用下這些裂紋或缺陷會因應力集中而擴展，導致斷裂失效現象發生。因此，脆性材料的斷裂強度σ與微裂紋密切相關，可從下面的公式中看出：

其中，E代表彈性模量，γ代表斷裂表面能，u代表泊松比，c代表裂紋尺寸。

顯然，材料強度σ與微裂紋尺寸c相關，裂紋尺寸c越大，材料強度越低，越容易失效。事實上，材料強度σ是經典強度理論對材料的一種表征手段，但它沒有抓住斷裂的本質，不能預防低應力下的脆性斷裂。不過，我們可以從中提取出與裂紋尺寸不相關的部分，由斷裂力學理論出發，建立另外一種材料表征手段——斷裂韌性K_Ic，用以評價材料阻止裂紋擴展的能力。對于脆性材料：

其中，E代表彈性模量，γ代表斷裂表面能，u代表泊松比。

公式中，E和u是非結構敏感的，因此提高材料斷裂韌性K_Ic主要從提高斷裂表面能角度出發。陶瓷斷裂模式有穿晶斷裂和晶界斷裂兩種，相對于晶粒，晶界的強度往往較低，因此裂紋沿晶界擴展的情況較多。由此，大多數增韌方式的對象往往都是晶界。換言之，陶瓷“脫胎換骨”的關鍵在于晶界。

l 特種陶瓷增韌方法匯總

特種陶瓷增韌方式及機理

增韌方式	機理	舉例
相變增韌	利用陶瓷中組成相的相變來增韌，相變過程可吸收、消耗晶界中裂紋擴展的能量	裂紋應力可誘導ZrO₂的馬氏體相變，即由四方相轉為單斜相（體積增大3-5%），消耗裂紋擴展的能量
彌散增韌	在陶瓷基體中加入一定尺寸的微細粉料，利用晶界中第二相對裂紋的偏轉、彎曲等作用達到增韌效果	將納米LiTaO₃細粉加入氧化鋁陶瓷中，斷裂韌性可達5MPa·m^1/2以上
纖維/晶須增韌	在陶瓷基體中加入高強度、高模量的陶瓷纖維或晶須，利用橋聯、裂紋偏轉、拔出效應等方式增韌	含20% SiC晶須的莫來石陶瓷斷裂韌性可提高2-2.5倍
顯微結構增韌	優化陶瓷材料配方或工藝，獲得強韌化的顯微結構	Y₂O₃+La₂O₃稀土添加劑可使氮化硅顯微晶粒呈柱狀，該結構可消耗裂紋擴展的能量
金屬-陶瓷復合	在陶瓷基體中加入金屬粉末，利用金屬的塑性變形吸收能量來增韌	Al₂O₃/Ni復合陶瓷的斷裂韌性由4.3MPa·m^1/2增加到9.7MPa·m^1/2

左：氧化鋯相變增韌機理，右：納米LiTaO₃增韌氧化鋁陶瓷（彌散增韌）

左：碳纖維增韌碳化硅陶瓷（纖維增韌），右：柱狀顯微結構氮化硅（顯微結構增韌）

l 斷裂韌性測試方法匯總

由于不同測試方法測得的斷裂韌性數值往往存在差別，因此根據測試樣品的特點選擇合適的斷裂韌性測試方法，尤為重要。下表列出了幾種常見的斷裂韌性測試方法。

斷裂韌性測試方法匯總

測試方法	制樣方法	特點
單邊切口梁法	試樣為長條狀（長寬厚=LBW），在底面中間位置，沿寬度方向，制作切深為c的切口，c/W=0.4～0.6；B≈1/2W	應用較廣泛，國內外比較流行，但因受切口鈍化影響，對于細晶粒瓷，測試結果偏大
壓痕法	在簡支梁試樣受拉面的中部，用Knoop壓頭制作一人工的非貫穿尖銳裂紋，裂紋長度方向垂直于梁的縱軸	壓痕接近于實際材料的表面尖銳小裂紋，適用于致密的陶瓷及玻璃；但壓痕尺寸的測量受人為判斷影響
雙扭法	試樣呈薄板狀，一般尺寸為22430～22440mm³；在試樣底面，沿長度方向，在寬度的中點開一條槽，槽深占厚度的1/3～1/2	適用于薄片狀材料，國際公認此法較為成熟，獲得的數據較準確；但試樣尺寸較大，且屬于大裂紋，與常見裂紋有差別