陶瓷增韌是如何實現的

作為一種很“耐揍”的工程材料，結構陶瓷由于具有很高的強度和硬度，優良的耐熱性，低的熱傳導性與熱膨脹性以及很高的耐磨性、抗氧化能力，常常被用于制造發動機中的耐熱件，化工設備中的耐腐蝕件及密封件，切削刀具的刀片材料以及航天飛機的外殼陶瓷材料等。
不過陶瓷材料都是由離子鍵或共價鍵組成的多晶體結構材料，鍵強高、鍵能大，內部缺乏能促使材料變形的滑移系統，難以發生彈性形變和塑性形變，再加上制備過程中陶瓷材料表面和內部不可避免的存在缺陷，一旦受到外加載荷，它們都有可能構成裂紋源，應力就會在這些裂紋的尖端集中，從而裂紋失穩擴展導致脆性斷裂。
因此在幾乎所有工程應用中，斷裂韌性都是需要考慮的重要材料屬性，這樣才能使系統或部件在設計上能夠承受其使用壽命內的預期沖擊。
1陶瓷的斷裂形式
裂紋的產生原因主要很大程度上取決于材料本身，尤其是其微觀結構。出現在陶瓷試樣上的裂紋在二維空間上有：沿晶斷裂、穿晶斷裂，在三維空間上有韌窩斷裂。

①穿晶斷裂
穿晶斷裂是裂紋在晶粒的內部進行擴展。穿晶斷裂一般是韌性斷裂，當其內部積累了大量的位錯時晶粒本身的強度下降，進而導致裂紋在晶粒的內部產生。
②沿晶斷裂

沿晶斷裂發生時，其裂紋擴展的路徑是沿著晶界的方向，這主要是由于晶界處有大量的脆性相或者是硬度較高的雜質粒子，會在晶界處形成缺陷，使其強度下降從而形成裂紋，并沿著強度較低的方向進行擴展。如下圖所示它是完全脆性的斷裂。
③韌窩斷裂

韌窩是金屬塑性斷裂斷口顯微形貌的顯著特征，但在研究陶瓷的高溫斷口的微觀形貌中也發現了相似的韌窩結構。它是按顯微孔洞聚合機理，在其受到載荷的作用下發生斷裂而形成的。當材料發生韌性斷裂時先形成顯微撕裂或顯微孔洞，它們總是發生在連續變形受阻的地方，例如在受載物體的固溶體（基體）、晶界、亞晶界、位錯堆積以及柱狀晶界面等地方。當荷載繼續增加時，顯微孔洞長大，同時連接部分拉長，從而形成一個斷裂表面。斷口上的韌窩大小、數量等微觀花樣與形成速度和斷裂發展速度有關。通過韌窩深度及其表觀特征，可以估計在發生斷裂時，微觀組織局部的塑性變形程度。若形成蜂窩狀的細小韌窩，則說明微觀塑性變形量不大。相反，側壁有折皺紋理的深韌窩，表明塑性變形起重要作用。
2陶瓷增韌的原理
目前主要有如下幾種陶瓷材料增韌方法：纖維補強；顆粒彌散增韌；自增韌；氧化鋯自增韌；納米陶瓷增韌；納米復合增韌。由于陶瓷的斷裂是由裂紋擴展導致的，所以這些工藝的本質就是阻止裂紋的擴展，所用到的原理有：1）分散裂紋尖端應力；2）消耗裂紋擴展的能量，增大裂紋擴展所需克服的能壘；3）轉換裂紋擴展的能量。
①拉脫/橋接效應——纖維、晶須增韌原理
下圖中，在緊靠裂紋尖端的晶體，由于變形而給裂紋表面加上了閉合應力，抵消裂紋尖端的外應力，鈍化裂紋擴展，從而起到了增韌作用；此外，裂紋擴展時，柱狀晶體的拔出時也要克服摩擦力，也會起到增韌的作用。

裂紋橋接示意圖

②裂紋彎曲轉向—顆粒、纖維晶須增韌、自增韌原理
下圖中，由于柱狀晶的存在，導致裂紋發生偏轉，改變和增加了裂紋擴展的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴展阻力。同上，裂紋擴展時柱狀晶體也會與基體間有摩擦力的作用，消耗外加載荷的能量，有利于陶瓷材料斷裂韌性的改善。

裂紋偏轉示意圖

③相轉變增韌
相變增韌是通過熱處理等工藝使在其微觀組織內部生出增韌相，Zr02的相變增韌即為此類。將亞穩的ZrO2顆粒引入到基體中，當裂紋擴展到該區域時，t-ZrO2受到裂紋尖端應力場的作用將會發生相變，進而產生新的斷裂表面，還會在相變時產生體積膨脹，這兩個過程都會吸收能量，所以，應力導致的這種組織轉變會消耗外加應力，起到增韌的作用。
另外，相轉變增韌也是可以應用于功能陶瓷的。如：鐵電/壓電性疇轉變增韌機制，在壓電陶瓷材料中；利用使產生裂紋的外應力轉變為電能，從而達到增韌的目的。
④殘余應變能增韌
與相轉變的原理基本相似，在裂紋進行擴展之前，首先得克服陶瓷樣品本身的內部殘余應變能，從而達到增韌的目的。目前研究殘余應力對材料斷裂韌性的影響方法是∶考慮殘余應力與裂紋尖端作用引起的裂紋偏轉，通常采用無限大基體內單個球形柱狀晶粒子模型。這種方法比較直觀，只能做定性分析。
⑤微裂紋增韌
在裂紋應力尖端加入韌性材料，使其產生微裂紋，達到分散應力的目的，減少裂紋前進的動力，從而增加材料的韌性。在材料發生相轉變時，往往也會導致殘余應變能效應以及產生微裂紋。因此，相轉變增韌的效果非常顯著。
⑥納米增韌
納米技術在改善傳統陶瓷材料性能上顯示出了極大的優勢，加入納米相復合后的陶瓷材料的室溫強度和韌性有顯著提高。其增韌強化機理目前主要有三種：
第一種是“細化理論”，認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大，使基體結構均勻細化，從而提高納米陶瓷復合材料強度韌性。
第二種是“穿晶理論”，認為納米復合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內部形成“晶內型”結構。這樣便能減弱主晶界的作用，誘發穿晶斷裂，使材料斷裂時產生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，從而提高納米陶瓷復合材料強度和韌性。
第三種是“釘扎”理論，認為存在于基體晶界的納米顆粒產生“釘扎”效應，從面限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發生，晶界的增強導致納米復相陶瓷韌性的提高。
3總結
在實際增韌過程中往往是由幾種增韌機理同時起作用，而不是某個單獨機理，所以應該根據實際情況來選擇具體的增韌機理。一般來說，顆粒彌散增韌操作比較簡單，但增韌效果不顯著；納米級顆粒引入陶瓷基體中取得了很好的增強增韌效果，但制備成本較高；相變增韌效果顯著，但只能應用于氧化鋯陶瓷中，其他材料無法采用——這就是為什么問及斷裂韌性好的陶瓷材料有哪些時，大家會第一時間就會想到氧化鋯的原因之一。