與其他材料相比，陶瓷具有高的熱穩(wěn)定性、高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點，這些特性使其成為尖端結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的首選材料，比如說氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、碳化硅、氮化硅等，及常被應(yīng)用在航空航天、汽車、生物醫(yī)學、電子和機械設(shè)備等行業(yè)。

但是陶瓷材料有個致命缺點就是脆性，這是制約其發(fā)展的主要因素之一，因此一般需要增韌來提高效率和耐久性。久而久之，增韌就成為了陶瓷材料研究領(lǐng)域的核心問題。

一、不同的陶瓷增韌方式

根據(jù)強韌化方法不同，陶瓷材料發(fā)展了復相陶瓷、纖維增韌陶瓷基復合材料以及層狀陶瓷等三大體系。

①復相陶瓷具有高強度和高比例極限應(yīng)力，但韌性提高有限，適用于高應(yīng)力小尺寸簡單零件。

②纖維增韌陶瓷基復合材料從根本上解決了脆性問題，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但是纖維/基體弱界面產(chǎn)生的非線性力學行為導致其比例極限應(yīng)力低，適用于中等應(yīng)力大尺寸復雜構(gòu)件。

③層狀陶瓷的強度和韌性介于復相陶瓷和纖維增韌陶瓷基復合材料之間，并且具有良好的線性力學行為，適用于高應(yīng)力小尺寸復雜零件。

二、層狀陶瓷增韌原理

本文主角“層狀陶瓷”是近年來發(fā)展迅速的陶瓷增強增韌新技術(shù)。它模擬自然界某些生物材料，如珍珠、貝殼的復合結(jié)構(gòu)，在脆性的陶瓷材料中加入軟質(zhì)的耐高溫材料，以達到增強增韌的目的，因此也是一種仿生材料。仿生層狀結(jié)構(gòu)就是指由多個基體層和界面層組成的復合材料。

人體中最堅硬的部分——牙釉質(zhì)也是典型的例子。它由羥基磷灰石和有機物組成。這種材料的一個獨特的特點是，它們利用不同的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)取向，產(chǎn)生硬表面層（羥基磷灰石），以抵抗磨損或滲透，并有一個堅韌的過渡層（有機物）以適應(yīng)增加的變形，這種結(jié)構(gòu)-功能一體化的組合，為牙齒的磨損提供了保護。

在光學顯微鏡下觀察釉質(zhì)的全貌時，可見若干條與牙面大致平行的線條，顯示釉質(zhì)生長時呈疊瓦狀一層一層地堆積，這種線條被稱為生長線或銳茲線

從力學性能上講，層狀結(jié)構(gòu)主要通過引入許多界面來增加材料的斷裂韌性，這些界面通常具有更好的延展性（斷裂韌性是指材料在災(zāi)難性失效之前所能吸收的能量，韌性則是衡量誘發(fā)災(zāi)難性破壞所需能量的指標）。

在層狀結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)增韌機制是外在的，包括裂紋偏轉(zhuǎn)和分叉和橋連。每一種機制都有助于增加傳播裂紋所需的能量，或屏蔽裂紋尖端的應(yīng)力。其中，層狀材料中致使災(zāi)難性斷裂所需的能量主要是通過以下兩種外部機制增加的。

①裂紋擴展過程中遇到界面層發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在應(yīng)力作用下形成連續(xù)的裂紋路徑。

②裂紋擴展過程中遇到的任何缺陷將沿著缺陷方向繼續(xù)擴展（如下圖所示），從而增加擴展裂紋所需的功。

層狀裂紋拓展路徑

雖然簡單，但這不難發(fā)現(xiàn)，層狀結(jié)構(gòu)由于較長的裂紋路徑從而提高了材料的韌性。另外，引入較弱的界面也可以提高韌性——因為弱界面斷裂時，會在裂紋尖端的正前方創(chuàng)建第二個偏移（大致垂直）的裂紋，該裂紋合并后將顯著增加裂紋尖端的曲率半徑，而裂紋尖端的應(yīng)力與該半徑成反比，所以能夠有效提高韌性。

總而言之，許多層狀結(jié)構(gòu)的韌性遠高于其組分的簡單混合物。通過引入不同材料和形式的界面層組分，就能實現(xiàn)不同形式的增韌機制的協(xié)同作用，從而顯著提高材料的韌性。

三、層狀陶瓷的制備技術(shù)

層狀陶瓷復合材料的制備技術(shù)主要包括粉末冶金技術(shù)，自蔓延高溫合成技術(shù)，原位反應(yīng)自生法等。其中粉末冶金技術(shù)主要包括熱壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝，原位反應(yīng)自生法等。

層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料的硬夾層和軟夾層采用流延成型，凝膠注模，軋膜成型等工藝進行制備，當硬夾層和軟夾層干燥后將硬夾層和軟夾層疊加在一起并通過燒結(jié)工藝制備層狀陶瓷復合材料。下圖為層狀陶瓷復合材料的制備工藝流程圖。

四、層狀陶瓷應(yīng)用實例

1、氮化硅

Si₃N₄陶瓷具有優(yōu)異的力學性能和高溫穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于航空航天、防彈裝甲、電子通訊等。然而，Si₃N₄陶瓷存在脆性大和可靠性低的問題，限制了其廣泛應(yīng)用。李翠偉等研究了Si₃N₄/BN層狀復合陶瓷抗穿甲破壞實驗研究。研究了Si₃N₄/BN層狀陶瓷的抗沖擊性能和抗穿甲性能。耐沖擊性研究表明，Si₃N₄/BN層狀陶瓷的抗沖擊能力優(yōu)于Si₃N₄單相陶瓷。與整體Si₃N₄陶瓷的粉碎行為相比，Si₃N₄/BN層狀陶瓷在撞擊后可以在一定程度上保持完整性。

2、氮化鋁

氮化鋁(AlN)陶瓷具有很多優(yōu)秀的性能。可以將AlN與BN相復合制備AlN/BN層狀復合材料。可以通過流延成型法結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝制備出AlN/BN層狀復合材料。Zhang等研究了AlN/BN層狀陶瓷復合材料的力學性能。采用流延成型和熱壓燒結(jié)法制備了AlN/BN層狀陶瓷復合材料，優(yōu)化了AlN/BN層狀陶瓷復合材料的結(jié)構(gòu)和設(shè)計。結(jié)果表明AlN/BN層狀陶瓷復合材料的斷裂韌性為9.1 MPa·m^1/2以及彎曲強度為378 MPa。AlN/BN層狀復合材料的斷裂韌性是單相AlN陶瓷的斷裂韌性的兩倍。

3、氧化鋯

郭亞瓊以亞微米 ZrO₂為陶瓷基體相，微米Al₂O₃為陶瓷增強相，采用非水基流延成型技術(shù)和 ZrO₂疊層無壓燒結(jié)的方法制備出層狀結(jié)構(gòu)復合ZrO₂陶瓷。研究結(jié)果表明，當夾層中異質(zhì)相Al₂O₃含量為10wt%時，ZrO₂/ZrO₂-Al₂O₃流延薄膜疊層復合陶瓷的抗彎強度最佳，高達750MPa，此時層狀結(jié)構(gòu)復合ZrO₂陶瓷的硬度為12.75GPa，均高于單相ZrO₂陶瓷和Al₂O₃陶瓷；當夾層中Al₂O₃含量為15wt%時，層狀結(jié)構(gòu)復合ZrO₂陶瓷的斷裂韌性則達到最大值，為16.57MPa.m^1/2。

夾層中不同Al2O3含量時，層狀結(jié)構(gòu)復合ZrO2陶瓷試樣斷裂的宏觀圖

（從左到右：0wt%、10wt%、15wt%）

4、碳化硅

李冬云等采用流延法制備SiC薄層，在其表面涂覆BN漿料，經(jīng)層疊、模壓并在1900℃、30MPa下熱壓燒結(jié)得到SiC/BN層狀結(jié)構(gòu)陶瓷。通過壓痕法測定其耐損傷性能，發(fā)現(xiàn)SiC/BN層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的阻力曲線呈上升型，而單相SiC陶瓷的阻力曲線呈平穩(wěn)型。這說明該層狀結(jié)構(gòu)陶瓷具有較強的抗裂紋擴展能力和優(yōu)異的耐損傷性能。

解玉鵬等采用流延法制備SiC晶須（SiCw）薄片，然后應(yīng)用化學氣相滲透法制備SiC基體，經(jīng)過交替流延—沉積，成功制備了SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷，當SiC晶須體積分數(shù)在40%時，層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的拉伸強度為158MPa，彎曲強度為315MPa，斷裂韌度為8.02MPa·m1/2。這為航空發(fā)動機葉片的制備提供了一種新思路。

5、碳化硼

2018年，WU等采用流延成型工藝制備出鈦層和B₄C層（純B₄C和添加質(zhì)量分數(shù)6%鋁的B4C層），交替層疊，并在1800℃、30MPa條件下熱壓燒結(jié)制備Ti/B₄C層狀結(jié)構(gòu)材料?界面微觀結(jié)構(gòu)和斷裂韌性試驗結(jié)果表明：鋁的加入使界面處形成鋁熔池，促進了鈦和B₄C的原子擴散，從而使界面連接方式由物理連接向冶金連接轉(zhuǎn)變；沒有加入鋁的Ti/B₄C層狀結(jié)構(gòu)材料的斷裂韌度為7.82MPa·m^1/2，添加質(zhì)量分數(shù)6%的鋁后，斷裂韌度增至9.67MPa·m^1/2，提高了約24%?

資料來源：

碳化物層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的制備和強韌化研究進展，史秀梅，張立君，鄭陽升，程英曄，王強，張樂，鄭順奇，史戈平。

高韌性層狀氮化硅陶瓷材料的制備及性能研究，劉鎮(zhèn)。

高韌性層狀氮化硅陶瓷材料的制備及性能研究，郭亞瓊。

層狀陶瓷復合材料的制備技術(shù)及其研究發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，江濤。

【基金故事】成來飛教授團隊：“探秘”新型層狀陶瓷材料，西北工業(yè)大學。

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