陶瓷增韧方法及其研究进展全解

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氧化锆增韧氧化铝陶瓷的研究进展

氧化铝陶瓷具有优良的化学稳定性、机械性能以及电性能，在陶瓷材料中属于应用十分广泛的类型，但是其断裂韧性仅在2.5MPa ·m 1/2～4.5MPa ·m 1/2，所以其应用范围的拓展受到严重限制，由此，提升氧化铝陶瓷的断裂韧性成为行业内的研究重点之一。

当前可以应用于其中的方法较多，主要包括引入第二相、加入Al 2O 3籽晶和形成缺陷分布三种方式，从整体上来看，应用价值最高的方式为氧化锆增韧，即采用机械混合法、溶胶-凝胶法等方式，将氧化锆复合于氧化铝粉体中，再进行相应的处理，可以获取氧化铝陶瓷，使氧化锆晶粒可填充与氧化铝晶界处，从而起到提升氧化铝陶瓷断裂韧性的作用，也就可以进一步提升氧化锆增韧氧化铝陶瓷的使用效果和使用价值。

氧化锆增韧氧化铝陶瓷也可被称为ZTA 陶瓷，其熔点高、硬度高，并且耐酸碱腐蚀，同时具有韧性较强的优势，属于高温结构陶瓷中具有较大应用潜力的一类。

其中的氧化锆含量在10%～20%之间时，可以起到抑制晶体生长氧化铝酸性的作用，也就可以起到提升材料硬度的作用。

特别是若氧化锆含量处于12%～14%之间时，ZTA 陶瓷的硬度和强度均能上升至最大值，如果氧化锆粉末含量为20%，并且其呈高度分散状态，经过热压烧结处理以后，ZTA陶瓷的机械性能将达到最好状态。

对陶瓷断裂韧性产生影响的因素可以通过公式（1）进行体现：（1）在公式（1）当中，为陶瓷材料断裂韧性，其与弹性模量E、泊松比v 以及断裂表面能均具有密切关联性，弹性模量以及泊松比均属于非显微结构敏感参数，所以需要借助提升断裂表面能的方式提升材料断裂韧性。

而能够影响陶瓷材料表面的因素较多，主要包括热力学自由表面能、内应力与裂纹、气孔、塑性形变、相变、晶粒尺寸等多个方面。

从断裂力学的视角来看，可以采用增加自由表面能的方式，促使新生表面形成，同时也可起到缩减晶粒尺寸、缩减气孔率的作用，还可应用适当的应力促进相变，并形成微裂纹，从而起到提升陶瓷材料断裂韧性的作用。

陶瓷材料相变增韧的原理

陶瓷材料相变增韧的原理
陶瓷材料的相变增韧主要是通过晶体结构的相变来实现的。

具体原理如下：
1. 相变：陶瓷材料在某个温度范围内会发生晶体结构的相变。

相变可以使材料的结构变得更加复杂，同时也会引入一定的缺陷，如晶界、孪生和位错等。

2. 形成裂纹桥：在陶瓷材料中，裂纹是主要的断裂路径。

当材料中存在缺陷时（如晶界、孪生和位错），在外力的作用下，裂纹会被这些缺陷所吸引，从而沿着这些缺陷传播。

当裂纹遇到晶界或位错时，它可能会停止或改变方向，形成裂纹桥。

3. 物理/化学效应：相变会引起陶瓷材料的物理和化学性质的变化，从而影响裂纹的传播。

常见的相变增韧机制包括晶界化学反应、位错锁结和晶界弥散效应等。

这些效应可以增加材料的韧性和断裂韧度。

总的来说，相变增韧可以通过引入缺陷来改变材料的断裂路径，从而提高材料的韧性和抗断裂性能。

这种机制对于提高陶瓷材料的应用性能具有重要意义。

陶瓷材料的增韧方法

陶瓷材料的增韧方法
陶瓷材料的增韧方法可以采用以下几种途径：
1. 添加增韧剂：向陶瓷材料中添加一定比例的增韧剂，如纤维、颗粒等微观颗粒，通过增加材料的断裂面积来阻止裂纹扩展，从而提高材料的韧性。

2. 控制晶粒尺寸：通过控制陶瓷材料的晶粒尺寸，可以增加材料的韧性。

通常，晶粒尺寸越小，材料的韧性越高，因为小晶粒可以提供更多的晶界来阻碍裂纹扩展。

3. 调节成分配比：通过调节陶瓷材料中的成分配比，可以改变材料的晶格结构和传输性能，从而影响材料的韧性。

例如，添加一些特定的元素，可以形成固溶体或次微晶结构，从而提高材料的韧性。

4. 控制材料微观结构：通过控制材料的微观结构，如孔隙度、烧结密度等，可以影响陶瓷材料的韧性。

通常，降低材料的孔隙度和提高烧结密度可以增加材料的韧性。

需要注意的是，以上方法并非适用于所有陶瓷材料，具体的增韧方法需要根据具体材料的性质和应用需求进行选择和优化。

氮化硅陶瓷增韧调研报告

氮化硅陶瓷增韧调研报告1、前言氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷，具有良好的室温及高温机械性能，强度高，耐磨蚀，抗热震能力强，抗化学腐蚀，低导热系数，密度相对较小，是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料，亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料，近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。

但是，已有的研究对氮化硅陶瓷的脆性缺陷仍未获得彻底改善，从而大大限制了它的实际应用。

如何提高氮化硅韧性仍是人们研究的焦点。

目前从事氮化硅陶瓷研究的学者为了提高其韧性，主要从两大方面着手进行韧性改善。

一是通过进行“显微结构设计”来提高氮化硅陶瓷的韧性。

即降低气孔的含量，控制杂质的含量，提高氮化硅陶瓷的密度、纯度；对氮硅陶瓷的晶型、晶粒尺寸、发育完整程度进行控制；对晶界的大小、材质进行调控；对玻璃相的数量、性质、分布状态等进行控制，以求在烧结后获得最佳韧性的显微组织，从而提高氮化硅陶瓷的韧性【1】。

二是在上述基础上开展的“晶界工程”研究。

氮化硅陶瓷常以多晶陶瓷的形式出现，而对多晶材料而言，当晶体较小为微米或纳米级时，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学性能等的一个极其重要的因素。

对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度，尤其是晶界高温强度是决定其能否作为高温工程材料运用的关键。

氮化硅是强共价键化合物，其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小，同时它的晶界能V gb与粉末表面能V sv的比值(V gb/ V sv) 比离子化合物和金属要大得多，使得烧结驱动力Δv 较小，决定了纯氮化硅无法靠常规的固相烧结达到致密化，必须加入少量氧化物烧结助剂，在高温烧结过程中它们与氮化硅表面SiO2反应形成液相，通过液相烧结成致密体，冷却后该液相呈玻璃态存在于晶界。

而此玻璃相的性能在很大程度上决定了氮化硅陶瓷材料的性能。

为了提高氮化硅陶瓷的高温性能，人们对玻璃晶界结晶化进行了大量的研究工作，称之为“晶界工程”【2】。

【精品文章】一文认识氧化锆陶瓷的增韧方法及应用

一文认识氧化锆陶瓷的增韧方法及应用
氧化锆陶瓷是具有独特的物理和化学性质，如高硬度，低的热传导性，熔点高，抗高温和腐蚀，化学惰性和两性性质，在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面的应用迅速发展。

作为特种陶瓷材料在电子、航天、航空和核工业等高新技术领域具有广阔的应用前景。

然而氧化锆陶瓷材料的致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了其应用范围。

只有改善氧化锆陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使氧化锆陶瓷真正地成为一种广泛应用的新型材料，因此，氧化锆陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。

一、陶瓷的增韧方法
目前，陶瓷的增韧方法主要有：相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米增韧等。

1、相变增韧
相变增韧是指亚稳定四方相t—ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变，形成单斜相，产生体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍裂纹扩展，起到增韧的作用。

此外，外界条件（如激光冲击、疲劳断裂韧性、低温、晶粒尺寸和含量、临界转变能量等）对氧化锆陶瓷相变增韧有很大的影响，如果相变产生大的应力和体积变化，则产品容易断裂，因此生产过程中，应避免外界因素对氧化锆陶瓷相变增韧的影响。

2、颗粒增韧
颗粒增韧是指用颗粒做增韧剂，添加入ZrO2陶瓷粉体中，尽管效果不及晶须与纤维，但若颗粒种类、粒径、含量和基体材料选择得当，仍有一定。

陶瓷材料相转变增韧的研究进展

关键词陶瓷材料畴转变增韧断裂韧性
ＰｒｇｅｓｉｓａｃｎＴｒｎｓｏｍａｉｎＴｏｇｅｉｆＣｅａｉａｅｉｌｏｒｓｎＲｅｅｒｈｏａｆｒｔｏｕｈｎｎｇｏｒｍｃＭｔｒａｓ
维普资讯
陶瓷材料相转变增韧的研究进展／宋顺林等
・９３１・
陶瓷材料相转变增韧的研究进展
宋顺林，王志宏，王汝娜，高旭东
（北京工业大学材料科学与２程学院，１２北京１０２）００２
机理主要包括相转变增韧、维和晶须增韧、纤颗粒弥散增韧、自
进入含有ｔｒ￣晶粒的区域时，ＺＯ在裂纹尖端应力场的作－ＯＺｔｒｚ－
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Ｏ引言

陶瓷材料的增韧机理

陶瓷材料的增韧机理引言:现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、而腐蚀及相对密度轻等许多优良的性能。

但它同时也具有致命的弱点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。

因此,陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问题。

陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面需要吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就是陶瓷脆性的本质原因。

人们经过多年努力,已探索出若干韧化陶瓷的途径,包括纤维增韧、晶须增韧、相变增韧、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。

这些增韧方法的实施,使陶瓷材料的韧性得到了较大的提高,使陶瓷材料在高温结构材料领域显示出强劲的竞争潜力。

增韧原理：1.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。

任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。

对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。

为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。

纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化,由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。

纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹。

1.2 晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[8]。

陶瓷晶须目前常用的有SiC 晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。

基体常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。

采用30%(体积分数)B2SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa#m1/2，比纯莫来石提高100%以上。

王双喜等[10]研究发现,在2%(摩尔分数)Y2O32超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,可以细化2Y2ZrO2材料的晶粒,并且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。

SiC陶瓷增韧的研究进展

ｓｎｙａｅｌｉｄｂｃｕｅｏｈｒｔｌｎｓｆＳＣｅａｃ．Ｔｈｒｆｒ，ｈｏｇｅｉｇｔｃｎｌｇｆＳＣｉｒ — ｉｇｗａｒｉｔｅａｓｆｔｅｂｉｅｅｓｏｉｃｒｍｉｓｍｅｔｅｅｏｅｔｅｔｕｈｎｎｅｈｏｏｙｏｉｓｅｓａｃｅｎｅｅｖｓｇｅｔｆｅｔＩｈｓｐｐｒｔｅｔｕｈｎｎｅｈｎｓａｄｍｅｈｄｏｉｃｎｃｒｉｅｃｒｍｉｓａｅｅｒｈｄａｄｉｒｃｉｅｒａｆｃ、ｎｔｉａｅ，ｈｏｇｅｉｇｍｃａｉｍｎｔｏｆｓｌｏａｂｄｅａｃｒｔｅｉ
Ｆｉ．Ｓｅｃｆｍｅｈｎｓｏｒｃｒｄｉｇｇ１ｋｔｈｏｃａｉｍｆｃａｋｂｉｇｎ
进行增韧补强成为一个重要的研究方向，到国内外的广泛关得注，取得了一定的研究进展。本文对这方面的研究进展作了并
综述，并介绍了主要的增韧方法及其机理。
图１裂纹桥联机理示意图
ｃｍｐｓｔｏｇｅｅ．ｏｏｉｔｕｈｎｄｅ
Ｋｅｒｙｗｏｄｓ
ｓｌｏａｂｄｅａｃ，ｏｇｅｉｇｍｅｈｎｓ，ｏｇｅｉｇｍｅｈｄｉｃｎｃｒｉｅｃｒｍｉｓｔｕｈｎｎｃａｉｔｕｈｎｎｔｏｉｍ
ＮａＯＨ等碱溶液侵蚀。同时，ｉＳＣ具有半导体性，少量杂质的引

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第三种是“钉扎”理论，认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生“钉扎”效应，从而限制了晶界滑移和孔穴、蠕变的发生，晶界的增强导致纳米复相陶瓷韧性的提高。
复合增韧

在实际增韧过程中往往是由几种增韧机理同时起作用，而不是某个单独机理，应根据实际情况来选择要通过线性效应起作用，如：加和效应、平均效应、相补效应、相抵效应。

陶瓷增韧技术的局限性
陶瓷增韧技术虽然众多，但是各种增韧技术都有自身的特点和局限性，如：颗粒弥散增韧操作比较简单，但增韧效果不显著。纳米级颗粒引入陶瓷基体中取得了很好的增强增韧效果，但制备纳米复相陶瓷成本较高。相变增韧效果显著，但只能应用于氧化锆陶瓷中，其他材料则无法采用。
裂纹弯曲转向—颗粒、纤维晶须增韧、自增韧原理
图2中，由于柱状晶的存在，导致裂纹发生偏转，改变和增加了裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。
相转变增韧
亚稳定四方相t--ZrOz在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变，形成单斜相，产生体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍裂纹扩展，起到增韧的作用。这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。另外，相转变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。
残余应变能增韧

与相转变的原理基本相似，在裂纹进行扩展之前，首先得克服陶瓷样品本身的内部残余应变能，从而达到增韧的目的。
微裂纹增韧
在裂纹应力尖端加入韧性材料，使其产生微裂纹，达到分散应力的目的，减少裂纹前进的动力，从而增加材料的韧性。在材料发生相转变时，往往也会导致残余应变能效应以及产生微裂纹。因此，相转变增韧的效果是显著的。
颗粒增韧纤维/晶须增韧自增韧相变增韧纳米增韧
增韧机理
拉脱/桥接效应裂纹弯曲/转向
相转变
残留应变能效应
微裂纹增韧
拉脱/桥接效应—纤维、晶须增韧原理
图1中，在紧靠裂纹尖端的晶体，由于变形而给裂纹表面加上了闭合应力，抵消裂纹尖端的外应力，钝化裂纹扩展，从而起到了增韧作用;此外，裂纹扩展时，柱状晶体的拔出时也要克服摩擦力，也会起到增韧的作用。
最原始的增韧方法—层状增韧

一枝易折弯,几枝竹断节难
层状结构复合陶瓷模型和独石结构陶瓷模型的载荷--位移曲线

陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何组织裂纹扩展呢？ 1、分散裂纹尖端应力

2、消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需
克服的能垒

3、转换裂纹扩展的能量
陶瓷增韧
增韧方法
其实生活中真的能给我们很多启示，只要把基本知识学好，善于观察生活，也许未来的科学家就是我们。由于我的知识有限，只能尽量让大家听懂这些原理，课下咱们继续学习，一起努力！

未来陶瓷的发展趋势
仿生结构设计也是增韧的一种新途径。通过对自然界中天然材料特殊结构(如木、竹、贝壳珍珠层)的模仿，有可能制备出与这些材料具有相似显微结构的高强高韧陶瓷材料。多层陶瓷结构就是基于贝壳仿生结构而出现的一种高韧性陶瓷复合材料，在陶瓷增韧方面展现了很好的前景。

THE END
陶瓷增韧方法及其研究进展
主讲人：
引言
陶瓷材料的致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的应用范围。只有改善陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使陶瓷材料真正地成为一种广泛应用的新型材料，因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。

纳米增韧

第一种是“细化理论”，认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大，使基体结构均匀细化，从而提高纳米陶瓷复合材料强度韧性。

第二种是“穿晶理论”，认为纳米复合材料中，基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部形成“晶内型”结构。这样便能减弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂，使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂，从而提高纳米陶瓷复合材料强度和韧性。