碳化物陶瓷材料具有硬度高、密度低、彈性模量大、耐化學腐蝕能力強等優異性能，在航空航天、新能源、核工業以及軍事工業中有著廣泛的應用需求，但其固有的脆性問題嚴重影響了其規模化應用，因此碳化物陶瓷材料的強韌化研究意義重大。

各類碳化物陶瓷制品

碳化物陶瓷脆性大的原因

碳化物陶瓷材料脆性大、斷裂韌性差的特性主要與其化學鍵種類有關。以SiC和 B₄C陶瓷為例，SiC晶體中占總鍵能78%的Si-C鍵是共價鍵，B₄C晶體中B-B、B-C共價鍵占比高達93.94%，這兩種陶瓷均屬于典型共價鍵化合物。共價鍵具有很強的方向性和很高的結合能，在使陶瓷擁有高硬度、高熔點、高化學穩定性的同時，也導致了燒結過程中原子自擴散系數較小、晶界遷移阻力大，難以實現致密化燒結的問題。

碳化硼晶體結構（左）、碳化硅晶體結構（右）

另外，碳化物陶瓷材料具有共價鍵占比很高的晶體結構，陶瓷晶體中位錯等滑移體系含量較少，宏觀表現為材料很難產生塑性變形；應力一旦在微裂紋等缺陷處集中，極易發生擴展，導致材料斷裂。

采用層狀結構提高碳化物陶瓷斷裂韌性

提高陶瓷材料強韌性的主要途徑有兩種：

（1）減少材料內部原始裂紋缺陷的數量和尺寸，減緩裂紋尖端的應力集中；

（2）通過添加增韌相提高材料的斷裂能，增大抵抗裂紋擴展的能力。

目前，碳化物陶瓷增韌的主要方法有相變增韌、微裂紋增韌、纖維及晶須增韌、顆粒彌散增韌等。盡管這些方法可以有效地緩解或抑制裂紋擴展，提高陶瓷材料的斷裂韌性，但是由于微裂紋、晶須、顆粒等的尺寸與基體晶粒的相當，且增韌作用區域有限，材料強韌性提高并不明顯；并且這些方法還存在實用化陶瓷/纖維體系較少、生產工藝復雜、制備成本較高等缺點，實用性均較差。

纖維增韌機理

于是，有研究者采用仿生設計原理制備層狀結構陶瓷，能使傳統的脆性陶瓷材料具備高缺陷容忍性和高能量吸收能力，從而滿足耐熱、抗沖擊等綜合使用性能的要求。

碳化物層狀結構陶瓷采用一種新型仿生結構設計，模擬了自然界中貝殼的顯微組織結構，在高硬度和高脆性的陶瓷層間夾入低硬度或韌性較高的材料層（通常稱之為軟層、夾層或界面層）并交替層疊而成。

仿貝殼層狀結構

界面層的存在和性能是影響層狀陶瓷強韌性的決定性因素，目前常用的界面層材料包括硬度較低、彈性模量較小的BN和石墨層，延展性較好的鋁、鈦、鎢等金 屬層以及具有一定強度的多孔SiC、Si₃N₄等陶瓷層。

通過對界面層組分進行精細復合設計，可以實現界面/基體的熱膨脹系數、彈性模量、應力等的兼容匹配。這使得材料在承受彎曲或沖擊載荷時具有轉移、消耗和吸收能量的能力，從而極大地改善碳化物陶瓷的強韌性，避免突然的整體失效，提高碳化物陶瓷的斷裂韌性和應用可靠性。

碳化物層狀結構陶瓷的增韌作用機理

目前，碳化物層狀結構陶瓷的制備工藝包含成型和燒結兩個關鍵技術，通常先采用軋膜成型、流延成型、注漿成型等工藝制備結構陶瓷基片，再采用浸涂、噴涂等方法將夾層材料涂覆在基片上，或將夾層材料制備成薄片層疊在基片上，最后采用熱壓或常壓燒結工藝制得層狀結構陶瓷。

碳化硅陶瓷片

碳化物層狀結構陶瓷的強韌化與裂紋沿界面層的偏折關系很大。

當外加載荷導致致密基體層開裂時，由于界面層對裂紋的偏折作用，裂紋沿層間界面擴展；當載荷繼續增大時，裂紋轉向，垂直于界面方向擴展；當致密基體層失效后，裂紋到達下一界面處時再次發生偏折。這一過程重復發生，直至材料最終斷裂。這一過程能有效避免碳化物陶瓷的突發性斷裂行為，提高碳化物陶瓷的韌性。

另外，以延展性良好的金屬或樹脂作為界面層，不僅可以通過變形吸收層狀材料破壞時的能量，延長裂紋擴展路徑，還能在基體層發生斷裂后起到橋聯作用，延緩裂紋擴展。但利用金屬或樹脂作為界面層制備層狀結構陶瓷的技術難點在于燒結溫度的控制：溫度過低，較難實現陶瓷的致密化燒結；溫度過高，又會導致金屬與基體發生反應或者樹脂的燒失，不能發揮塑性吸能和裂紋橋聯作用。

層狀結構材料界面

總結

碳化物層狀結構陶瓷依靠各組分和層狀結構的協同作用抵抗沖擊載荷造成的破壞，其斷裂失效不再是傳統的一次脆性斷裂，而是出現了逐層漸變、“類塑性”特征。因此，層狀結構成為碳化物陶瓷強韌化的研究重點。但由于層狀結構陶瓷的研究起步較晚，在界面行為、性能表征、制備等方面仍然存在不足，需要深入研究。

參考來源：

1.碳化物層狀結構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（機械工程材料）；

2.B₄C-W₂B₅復合陶瓷的原位反應制備及其強韌化機理，潘登、李樹豐、張鑫（陶瓷學報）；

3.SiC基層狀復合材料界面層的選擇，袁廣江、羅永明、陳大明（硅酸鹽學報）。

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