陶瓷材料具有硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)良特性在能源、軍工、機(jī)械、化工、電子信息等各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但它其存在高脆性，限制了其在某些高端領(lǐng)域的應(yīng)用，如何改善陶瓷材料的“高脆性”這一弱點(diǎn)，一直是陶瓷材料研究者所關(guān)心的問題。隨著科技的不斷發(fā)展，特別是納米粉體制備的不斷發(fā)展，納米復(fù)合陶瓷為解決陶瓷材料的高脆性提供了新的思路。

納米復(fù)合陶瓷中的納米相是以兩種形式存在，一種是分布在微米級(jí)陶瓷晶粒之間的晶間納米相；另一種則“嵌入”基質(zhì)晶粒內(nèi)部，被稱為晶內(nèi)納米相或“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生了兩個(gè)顯著的效應(yīng)：穿晶斷裂和多重界面，從而對(duì)材料的力學(xué)性能起到重要的影響。下面小編結(jié)合納米復(fù)合陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、增韌補(bǔ)強(qiáng)三個(gè)方面介紹：

一、微觀結(jié)構(gòu)

納米復(fù)合陶瓷“內(nèi)晶型”納米相是其微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征。這種結(jié)構(gòu)使主晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量次界面和微裂紋，造成基質(zhì)顆粒潛在分化，從而使主晶界的作用有所減弱，誘發(fā)穿晶斷裂。同時(shí)，晶內(nèi)與晶界的納米粒子使陶瓷基體產(chǎn)生大量位錯(cuò)群，位錯(cuò)群又往往被納米粒子“釘扎”，使裂紋擴(kuò)展受到阻礙或發(fā)生偏折，提高了材料的斷裂能。

Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷微觀結(jié)構(gòu)SEM

研究者采用納米級(jí)碳化硅粉和微米級(jí)氧化鋁粉為原料，使用真空熱壓爐燒結(jié)，制備出Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷，具有相對(duì)密度高（超過99.47%），彎曲強(qiáng)度高（507.82MPa）、斷裂韌性好（4.75MPa·m^1/2）、維氏硬度（1824.96Hv）高等優(yōu)點(diǎn)。其微觀結(jié)構(gòu)顯示Al₂O₃/SiC陶瓷中存在著種類豐富的位錯(cuò)組態(tài)和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，這在一般陶瓷中是難以見到的。

二、殘余應(yīng)力

納米復(fù)合陶瓷相間熱膨脹系數(shù)的失配和彈性模量的差異對(duì)材料性能影響很大，其中熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)是復(fù)合陶瓷補(bǔ)強(qiáng)增韌的主要根源之一。

例如在Al₂O₃/SiC系和MgO/SiC系中，雖然基質(zhì)的熱膨脹系數(shù)比納米相的大，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌程度很小，但由于殘余熱應(yīng)力以壓應(yīng)力的方式作用在兩相界面上，使兩相界面結(jié)合牢固，這就可能實(shí)現(xiàn)“內(nèi)晶型”納米粉體粒子對(duì)穿晶裂紋的二次偏轉(zhuǎn)而耗散能量，從而提高材料的韌性。研究者通過應(yīng)變分析和理論推算，提出Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷中隨SiC增加，第二相顆粒間距縮小，垂直于裂紋擴(kuò)展方向的殘余拉應(yīng)力的振幅減小但平均值增大，使材料韌性增量下降；并提出SiC為3.5～5wt%對(duì)應(yīng)著體系最高韌性。

Al₂O₃/SiC納米復(fù)相陶瓷斷口組織的SEM

三、增韌補(bǔ)強(qiáng)

目前關(guān)于納米復(fù)合陶瓷的增強(qiáng)韌化機(jī)理主要分為四類：一是細(xì)化基體顆粒；二是界面自增韌，即晶內(nèi)納米粒子使基體顆粒內(nèi)部形成次界面，并同晶界納米相一樣具有釘扎位錯(cuò)的作用；三是微裂紋增韌：納米粒子周圍基質(zhì)形成拉應(yīng)力導(dǎo)致穿晶斷裂并使穿晶裂紋二次偏轉(zhuǎn)；四是晶須或纖維增韌。

1.細(xì)化基體顆粒

為改善先進(jìn)陶瓷的性能，細(xì)、密、勻、純的陶瓷粉體是目前發(fā)展的一個(gè)重要方面。陶瓷粉體的細(xì)化使得組織結(jié)構(gòu)更加均勻，減小了應(yīng)力集中及顯微裂紋的尺寸；細(xì)晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶界體積分?jǐn)?shù)增加，陶瓷斷裂過程生成的新表面積增大，因此斷裂前吸收的外界能量增加，宏觀上表現(xiàn)為陶瓷斷裂韌性提高。

研究者采用納米級(jí)B₂O₃、Al、石墨和B4C粉體為原料，制備B₄C/Al₂O₃納米復(fù)合陶瓷，其主要成分為B₄C和Al₂O₃，其中主相B4C約占70wt%，第二相Al2O3約占30wt%，由Al-B-O共同構(gòu)成的復(fù)雜中間相填充在主相與第二相之間;復(fù)相陶瓷的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為2.82g/cm³，41.5GPa，380MPa和3.9MPa.m^1/2，其中斷裂韌性比純微米級(jí)碳化硼陶瓷提高了85.7%。

B₄C/Al₂O₃納米復(fù)合陶瓷SEM

2.界面自韌化

Si₃N₄/SiC片層復(fù)合陶瓷材料利用界面自韌化解決單一的氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷材料的脆性較大、易斷裂問題。Si₃N₄/SiC片層復(fù)合陶瓷材料在界面處大量存在的燒結(jié)助劑有利于氮化硅棒晶生長(zhǎng)，大尺寸的氮化硅棒晶將氮化硅層與碳化硅層連接起來，產(chǎn)生界面自韌化的效果。材料的彎曲強(qiáng)度大于700MPa，收縮率﹤15％，同時(shí)，其韌性可到16MPa·m1/2以上，完全可以滿足高韌性陶瓷材料的使用要求。其斷裂功﹥6KJ/m2，材料的斷裂預(yù)警明確，具有高的安全系數(shù)。

Si₃N₄/SiC片層復(fù)合陶瓷材料SEM

3.微裂紋增韌

微裂紋增韌是通過微裂紋分散主裂紋尖端能量而提高材料韌性的方法。即微裂紋在擴(kuò)展和形成新的微裂紋過程中消耗部分能量，而達(dá)到宏觀增韌效果。微裂紋通常存在于由線脹系數(shù)不匹配或相變所致的局部張力區(qū)內(nèi)。以Al₂O₃/ZrO₂/ZrSiO₄復(fù)合陶瓷材料為例，該復(fù)合陶瓷材料中ZrSiO₄為主要晶相，另外還有少量Al₂O₃和ZrO₂存在；第二種增強(qiáng)體ZrO₂的最佳引入量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；確定復(fù)合材料的強(qiáng)韌化是由Al₂O₃和ZrO₂納米顆粒引起的裂紋偏轉(zhuǎn)、微裂紋增韌與ZrO₂納米顆粒引起的相變?cè)鲰g共同作用而實(shí)現(xiàn)的，斷裂方式主要為穿晶斷裂。

Al₂O₃/ZrO₂/ZrSiO₄復(fù)合陶瓷材料SEM

4.晶須或纖維增韌

利用SiC、Si₃N₄等晶須或C、SiC等長(zhǎng)纖維對(duì)Si₃N₄陶瓷進(jìn)行復(fù)合增韌。下表典型晶須/纖維增韌Si₃N₄陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能，可見晶須或纖維能大幅度提高Si₃N₄的斷裂韌性，但由于晶須或纖維的分散工藝復(fù)雜，燒結(jié)致密化困難以及與基體的相容性問題而使其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

晶須( 纖維) 增韌 Si3N4 陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能

四、納米復(fù)合陶瓷的應(yīng)用

1.航天航空領(lǐng)域

SiC陶瓷基體中引入SiC纖維或碳纖維制備的SiC/SiC、C/SiC納米復(fù)合陶瓷，其彌補(bǔ)了陶瓷材料的缺陷，具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、抗沖擊等性能，可應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器防熱結(jié)構(gòu)、太空輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、剎車制動(dòng)、核能、光伏電子等多個(gè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、噴口導(dǎo)流葉片等產(chǎn)品。目前市場(chǎng)中應(yīng)用需求較高的主要有SiC/SiC納米復(fù)合陶瓷。

SiC/SiC納米復(fù)合陶瓷應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴口導(dǎo)流葉片

2.冶金工業(yè)領(lǐng)域

Si₃N₄/SiC納米復(fù)合陶瓷由于其具有高溫強(qiáng)度好、熱擴(kuò)散系數(shù)低、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，使其成為了高溫或超高溫領(lǐng)域最有前途的高溫復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷。

Si₃N₄/SiC納米復(fù)合陶瓷應(yīng)用于冶金工業(yè)領(lǐng)域熱電偶保護(hù)管

3.國(guó)防軍工領(lǐng)域

陶瓷防彈裝甲在國(guó)際上因反恐戰(zhàn)爭(zhēng)而成為快速成長(zhǎng)的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，B₄C/Al₂O₃納米復(fù)合陶瓷材料具有高硬度、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于人體防彈背心、直升機(jī)腹部防彈層、坦克裝甲車防彈層等。

B₄C/Al₂O₃納米復(fù)合陶瓷材料應(yīng)用于防彈裝甲

4.電子行業(yè)

Al₂O₃/ZrO₂納米復(fù)合陶瓷具有強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，可以用于制造各種高強(qiáng)度電源模塊用基板，可支持銅電路板的直接接合。

Al₂O₃/ZrO₂納米復(fù)合陶瓷電源模塊用基板

AlN納米復(fù)合陶瓷具有電絕緣性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，對(duì)于需散熱的應(yīng)用而言，它是理想之選。此外，由于其熱膨脹系數(shù)接近硅，且具有優(yōu)異的等離子體抗性，可被用于制造半導(dǎo)體加工設(shè)備部件。在半導(dǎo)體制造工藝中，該類產(chǎn)品可用于硅晶片的安裝、校正平面度和硅晶片的冷卻。

AlN納米復(fù)合陶瓷應(yīng)用于半導(dǎo)體制造的靜電夾盤

5.生物醫(yī)療領(lǐng)域

納米復(fù)合陶瓷作為生物陶瓷材料，由于其化學(xué)惰性、優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨耐蝕性，已成為骨骼、牙齒和關(guān)節(jié)等組織的置換材料。陶瓷手術(shù)刀以及生物液體納米陶瓷過濾膜等醫(yī)用工具也是結(jié)構(gòu)陶瓷在醫(yī)用領(lǐng)域的另一應(yīng)用方向。氧化鋁與氧化鋯復(fù)合的陶瓷已成功應(yīng)用于人體的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)。

氧化鋁與氧化鋯復(fù)合陶瓷應(yīng)用于人體的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)

參考文獻(xiàn)：

1. 焦綏隆等，氧化鋁/碳化硅納米復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能和強(qiáng)化機(jī)理，材料導(dǎo)報(bào)。

2. 李虹，黃莉萍，蔣薪，等，納米SiC/Si₃N₄復(fù)合粉體制備及材料的顯微結(jié)構(gòu)，硅酸鹽學(xué)報(bào)。

3. 黃政仁，江東亮，譚壽洪，SiC/Al₂O₃基復(fù)相陶瓷的性能研究，硅酸鹽學(xué)報(bào)。

4. 張翠萍，反應(yīng)燒結(jié)碳化硼復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的研究，東北大學(xué)博士學(xué)位論文。

5. 翟鴻祥，袁泉，黃勇，汪長(zhǎng)安，SiC晶須及原位增強(qiáng)Si3N4基復(fù)合材料的斷裂過程，硅酸鹽學(xué)報(bào)。

昕玥

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。