陶瓷增韧方法简述

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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。

韧化途径

韧化的主要机理有应力诱导相变增韧,相变诱发微裂纹增韧,残余应力增韧等。

几种增韧机理并不互相排斥,但在不同条件下有一种或几种机理起主要作用。

相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变,从而增韧的效果,统称为相变增韧。

例如,利用的马氏体相变来改善陶瓷材料的力学性能,是目前引人注目的研究领域。

研究了多种?的相变增韧,由四方相转变成单斜相,体积增大3% 5%,如部分稳定,四方多晶陶瓷(TZP), 增韧陶瓷(ZTA), 增韧莫来石陶瓷(ZTM), 增韧尖晶石陶瓷, 增韧钛酸铝陶瓷, 增韧陶瓷,增韧以及增韧等。

其中PSZ陶瓷较为成熟,TZP,ZTA,ZTM研究得也较多,PSZ,TZP,ZTA等的新裂韧性已达,有的高达,但温度升高时,相变增韧失效。

当部分稳定陶瓷烧结致密后,四方相颗粒弥散分布于其他陶瓷基体中(包括本身),冷却时亚稳四方相颗粒受到基体的抑制而处于压应力状态,这时基体沿颗粒连线方向也处于压应力状态。

材料在外力作用下所产生的裂纹尖端附近由于应力集中的作用,存在张应力场,从而减轻了对四方相颗粒的束缚,在应力的诱发作用下会发生向单斜相的转变并发生体积膨胀,相变和体积膨胀的过程除消耗能量外,还将在主裂纹作用区产生压应力,二者均阻止裂纹的扩展,只有增加外力做功才能使裂纹继续扩展,于是材料强度和新裂韧性大幅度提高。

因此，这种微结构会产生三种不同的增韧机理。

在氧化锆中具有亚稳态四方相的盘状沉淀的微粒，如图1-55所示。

首先，随着裂纹发展导致的应力增加。

会使四方结构的沉淀相通过马氏体相变转变为单斜结构，这一相变吸收了能量并导致体积膨胀产生张应力。

这种微区的形变在裂纹附近尤为明显。

其次，相变的粒子周围的应力场会吸收额外的能量，并形成许多微裂纹。

这些微结构的变化有效地降低了裂纹尖端附近的有效应力强度。

第三，由于沉淀颗粒对裂纹的阻滞作用和局域残余应力场的效应，会引起裂纹的偏转。

裂纹偏转又引起裂纹的表面积和有效表面能增加，从而增加材料的韧性。

陶瓷热震性及增韧

断裂开始和裂纹扩展的统一理论
比较断裂理论和损伤理论及参数，结论相悖。
原因是二者所引用的理论基础及其判断依据不同。前者注重的是裂纹成核，后者关心的是已有裂纹的扩展。它们分别适用于致密陶瓷和诸如耐火材料的多孔材料 Hasselman为弥补临界应力断裂理论只注重裂纹成核问题和抗热震损伤理论只强调裂纹扩展的不足，将二者结合起来，建立了以断裂力学为基础的断裂开始和裂纹扩展的统一理论初始裂纹很短 c:激发裂纹扩展的临界温差初始裂纹很长
提高材料的断裂能
陶瓷材料韧性的改善主要有微裂纹增韧、相变增韧、裂纹尖端尾流区增韧等几种机制。
陶瓷材料的增韧
微裂纹增韧机制
在陶瓷材料中引入一定密度的显微裂纹，由于微裂纹在扩展过程中的偏转、弯曲，可耗散大量的能量，可以显著提高材料的韧性，进而提高材料的抗热震损伤性能。
影响陶瓷材料抗热震性能的因素
陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的热学性能陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的表面状况
力学性能对抗热震性的影响
抗热震性能相关的力学性能主要包括材料的断裂强度、断裂韧性、弹性模量陶瓷材料的抗热震断裂能力和抗热震损伤能力对f 和E的要求相反，这就要根据材料更趋于受哪种参数的限制，来选择合理制备方法对其加以控制。 E可通过材料的气孔率进行调节，经验公式通过向基体材料中添加第二相材料，也是调节E的有效方法。
热震性的研究意义
以氧化锆为例氧化锆陶瓷优异的常温力学性能使它越来越受到人们的重视。改善抗热震性是拓展氧化锆陶瓷应用范围的重要方面改善陶瓷刀具的抗热震性，提高刀具的耐用度
陶瓷材料抗热震评价理论
抗热震断裂理论 (基于热弹性理论）
代表理论是Kingery的“临界应力断裂理论”

第八章陶瓷基复合材料

4
CVI工艺的种类
等温CVI工艺
最早用于陶瓷基复合材料制备的CVI工艺
应用最广泛的CVI工艺
工艺装置最简单的CVI工艺
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
等温CVI工艺
工艺原理
反应容器内的温度合材料增韧机理
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
微裂纹增韧损耗裂纹扩展能量使裂纹不能继续扩展用多条微裂纹的扩展分散化解一条裂纹扩展的能量
控制微裂纹的尺寸使之不能超过材料允许的临界裂纹尺寸
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
基体中引入第二相颗粒，利用基体和第二相之间热膨胀系数和弹性模量的差异，在试祥制备的冷却过程中，在颗粒和基体周围产生残余压应力。
mr
( p m )T h 1 m 1 2 p 2 Em Ep
裂纹走向
mr张应力
当p＞m，颗粒和基体之间的应力使裂纹在前进过程中偏转，如图所示。
Precursor species Molecular Nuclei
Regimes
(rate limiting steps) Homogeneous nucleation
V
Gas flow (laminar)
Mass transport Surface kinetics
Stagnant boundary layer Coating Substrate
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
陶瓷基复合材料的增韧机理

先进陶瓷材料研究进展试题

一篇课程综述（满分100分）（每题20分，满分100分）1.简述微纳米陶瓷材料增韧机理微米陶瓷增韧机理：（1）微裂纹增韧残余应变场与裂纹在分相周围发生反应，从而使主裂纹尖端产生微裂纹分支。

（2）相变增韧由分散相的相变产生应力场来阻止裂纹的扩展。

（3）裂纹扩展受阻裂纹尖端的韧性分散相发生塑性变形使裂纹进一步扩展受阻或裂尖钝化。

（4）裂纹偏转由于分散相和基体之间的TEC和E失匹而产生应力场，从而使裂纹沿分散相发生偏转。

（5）纤维拔出界面脱胶或纤维拔出。

纳米陶瓷材料增韧机理（1）“内晶型”结构效应弥散相引入有效的抑制基质晶粒的异常长大2 弥散相周围存在局部应力，使晶粒细化而强化了主晶界3 内晶周围的局部应力强化了主晶界而诱发穿晶断裂4 高温时阻止位错运动，提高陶瓷材料的高温力学性能，从而使材料得到韧化。

（2）铁弹性畴转换也是含有氧化锆的纳米复合陶瓷的增韧机制之一。

在应力作用下，铁弹性畴重新取向吸收能量，从而对增韧有贡献。

2.试述纳米固体材料结构特点纳米晶体材料由晶态纳米颗粒压制的纳米材料，每个小晶粒(1-100纳米)中的原子排列相同，且具有长程有序结构，而晶粒间的界面则是无序态结构。

具有巨大的颗粒间界面，界面部分占总体积的百分比很大(>50%)，缺陷结构极多(>70%)。

如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界.原子的扩散系数要比大块材料高1014～1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。

界面结构特征原子密度降低：界面部分的平均原子密度比同成分的晶体少10-30%最近邻原子配位数变化：由于晶界的原子间距差别也较大，导致最近邻原子配位数发生变化3.简述溶胶－凝胶法制备陶瓷粉体与无粉工艺溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。

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－
用下，转变成ｍ－ｒ，而耗散部分能量，ＺＯ从同时引起３～５
的体积膨胀，碍裂纹扩展＿。伴随体积膨胀产生的微裂纹阻１］也将起到分散基体中主裂纹尖端能量的作用，并导致主裂纹扩
ＡｂｔａｔｓｒｃＩｈｓｐｐｒｔｅｃｒｅｔｓｕｙｏｅａｃｏｇｅｅｙｔａｓｏｍａｉｎｉｂｉｆｙｒｖｅｄｉｃｕｎｔｉａｅ，ｈｕｒｎｔｄｆｃｒｍｉｓｔｕｈｎｄｂｒｎｆｒｔｓｒｌｅｉｗｅｗｏｄｓ
ｃｒｍｉｍａｅｉｌ，ｏｉｗｉｈｎｔｕｈｎｎｆａｔｒｏｇｎｓｅａｃｔｒａｓｄｍａｎｓｔｉｇ，ｏｇｅｉｇ，ｒｃｕｅｔｕｈｅｓｃ
Ｏ引言

氧化锆增韧

应力诱导相变增韧
含有部分t-ZrO2陶瓷在受到外力作用时微裂纹尖端产生张应力，松弛了四方相所受的压应力，微裂纹表面有一层四方相转变为单斜相。由于单斜相产生7%左右的体积膨胀和剪切应变导致压应力，不仅抵消了外力造成的张应力而且阻止进一步的相变。
相变诱发微裂纹增韧
四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹, 四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹,能在裂纹扩展过程中吸收能量，减少主裂纹的应力集中，起到提高断裂韧性的作用。
氧化锆晶型转变
单斜m-ZrO2
1170℃ 170 950℃ 950℃
四方t-ZrO2
2370℃ 2370℃ 2370℃ 2370℃
立方c-ZrO2
单斜相和四方相之间相互转化
在低温下锆离子趋向于形成配位数小于8的结构，即单斜相。纯ZrO2烧结冷却时ｔ→ｍ相变为无扩散相变，伴随产生约７％的体积膨胀和相当大的剪切应变（约８％）；相反，在加热时，由ｍ→ｔ相变，体积收缩。
ZrO2 Y2O3 2YZr ‘ +3 Oo + VO • • →
根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷有三种类型，分别为：
部分稳定氧化锆陶瓷(partially stabilized zirconia， PSZ) 四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP) 氧化锆增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics，ZTC)
表面强化增韧
表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的。由于ZrO2 陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少，tZrO2容易转变为m-ZrO2，而内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多，而转变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成表面强化增韧。

陶瓷材料的结构与强化

例外：当存在高应力梯度时(例如由热震引起的应力），气孔能起到容纳变形，阻止裂纹扩展的作用。
（3）多相材料中物相的影响：
物相的影响主要使来自于不同物相之间热膨胀系数和弹性模量的差异会产生内应力。因此，影响的程度取决于各物相的a和E。还有它们的晶粒大小。
（4）杂质的影响杂质的存在会由于应力集中而降低强
• 断裂能是由材料断裂过程中所消耗的各项能量所组成：
• f s p T c
• 式中： f为断裂能， s为热力学表面能, p 为塑性形变能， T为微裂纹形成能。
• 断裂能对材料的组成和显微结构敏感，可以通过材料的组成和结构设计，增加断裂过程中的能量消耗项数以及增大各项的大小来提高断裂能。
穿晶断裂
沿晶断裂
晶粒大小大多是指平均晶粒尺寸。但实际上，对强度的影响只有最大的晶粒尺寸才是重要的。因此，即使平均晶粒尺寸一样，如果晶粒尺寸的分布不同，则强度是有差异的，分布宽的材料性能要低于分布窄的。
多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒越细，初始裂纹尺寸越小，临界应力越高。
细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路。晶粒越细，路程越长。
度。
二、提高无机材料强度
改进材料韧性的途径
陶瓷材料虽然具有较高的弹性模量、较低的密度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等一系列优良的性能，但由于其致命的弱点——脆性，而大大限制了它的应用范围。陶瓷材料的强韧化一直是世界各国材料学者的热门研究课题，经过数十年的努力，已经取得了不少成果。
陶瓷材料和金属材料的抗拉或抗弯屈服强度并不存在很大差异。陶瓷材料的屈服强度虽比高强度与超高强度钢低，但一般高于或相当于中低强度钢；但是反映材料裂纹扩展阻力的断裂韧性值却差别甚大。

二氧化锆增韧机理

二氧化锆增韧机理二氧化锆是一种高强度、耐磨性的陶瓷材料，被广泛应用于工业、医疗、电子等领域。

然而，它的脆性限制了它在某些应用中的使用，因为它容易在应力下断裂。

为了解决这个问题，已经发现了一种方法，即通过添加增韧剂来改善二氧化锆的强度和韧性。

增韧剂主要指的是稳定和扩展细微裂纹的粒子，它们能够作为缺陷核心吸收能量，从而防止材料断裂。

在本文中，我们将探讨增韧剂的作用机理，以及用于改善二氧化锆韧性的增韧剂类型。

增韧剂的作用机理增韧剂的作用机理主要涉及四个方面：弥散增韧、纤维增韧、相变增韧和组分增韧。

1.弥散增韧弥散增韧是通过向二氧化锆中添加稳定的细小微粒，来分散材料中的裂纹，从而提高材料韧性的一种方法。

这些微粒可以是亚微米的氧化物，硅酸盐和氮化物等。

它们能够抑制裂纹扩展，限制裂纹长度，从而提高材料的韧性。

这种增韧方式适用于碳化硅、氮化硅、二氧化钛和氢氧化铝等的复合陶瓷。

2.纤维增韧纤维增韧是指向材料中添加纤维，如碳纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维等，来提高材料的韧性。

纤维对力的传递形成了如同打结的小串珠链，从而稳定了裂纹。

因此，纤维增韧材料在拉伸和弯曲应力下的韧性表现非常好。

3.相变增韧相变增韧是指使用晶体相变增强材料的韧性。

一种常用的方法是将稳定相和不稳定相混合，当施加应力时，不稳定相被破坏，从而释放了能量，并促进了相变转换，提高了材料的韧性。

这种增韧方式通常适用于金属和陶瓷材料。

4.组分增韧组分增韧是通过向二氧化锆中添加某些化学成分，如氧化铝、氧化镁、硅化铝等，来改变材料的组成，从而改善材料的韧性。

这种增韧方式通常适用于固化铝酸盐、氧化铝和氯化钛等材料。

增韧剂的类型目前广泛应用于增韧二氧化锆的增韧剂主要有氧化铈、氧化钇和氧化钠等。

这些增韧剂的作用机理包括稳定晶格、调节缺陷结构和阻止晶体生长等。

1.氧化铈氧化铈是最常用的增韧剂之一。

它能够保持晶格稳定，防止裂纹扩展。

此外，氧化铈能够扩散到晶格缺陷处，稳定其结构。

复合材料知识点

复合材料知识点南开大学2017年攻读博士学位研究生入学考试试题知识点考试科目：复合材料科目代码：3111 考试时间：月日（注：特别提醒所有答案一律写在答题纸上，直接写在试题或草稿纸上的无效！）———————————————————————————————1 什么是复合材料，复合材料有哪些特点，并结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。

答：复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同作用，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足不同的要求。

复合材料的特点：A 典型的复合材料是在一个特定的基体中，填充有一种或多种填充体；B 既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；C 可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能6 热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料在性能和加工工艺上的区别是什么？答：热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物，热固性树脂是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等为主的高分子化合物。

性能上：热塑性树脂—柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差。

热固性树脂—刚性大，耐腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工较难加工工艺上：热塑性树脂—受热软化或熔融，可进行各种线型加工，冷却后变得坚硬。

再受热，又可进行熔融加工，具有可重复加工性。

热固性树脂—受热熔融的同时发生固化反应，形成立体网状结构，冷却后再受热不熔融，在溶剂中不溶解，不具有重复加工性。

三、如何改善聚合物的耐热性能？产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。

增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。

提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。

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陶瓷材料的致命缺点:是脆性，低可靠性和低重复性，
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。