纤维增韧陶瓷基复合材料内部存在裂纹的原因

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中有着举足轻重的地位。从古至今，人们的日常生产和生活都离不开陶瓷材料。但是由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性较差，限制了陶瓷材料的应用。如何解决陶瓷材料的脆性和韧性一直以来都是陶瓷研究的焦点问题。

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米陶瓷能够克服陶瓷材料的脆性，提高材料的硬度，使陶瓷具有像金属似的柔韧性和可加工性。

何为纳米陶瓷？

纳米陶瓷是近20年发展起来的新型超结构陶瓷材料，是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体，以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料。根据纳米陶瓷材料的性能，可将其分为两大类：

纳米结构陶瓷

在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒，或者将传统陶瓷粉体纳米化，通过烧结凝固时控制凝固或晶体相的大小和分布，从而改变陶瓷显微结构以提高其力学性能，制得纳米陶瓷材料。

纳米结构陶瓷改变的力学性能包括硬度、强度、塑性、韧性。

纳米功能陶瓷

纳米功能陶瓷是通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒，或本身功能在常规微米级时未能完全表现出来的，在通过超细化后而得到表现，从而具有特殊功能的纳米陶瓷材料。

这些特殊功能包括：声学、、光学、电学、磁学、生物活性、对环境敏化性等。

纳米陶瓷的制备

纳米陶瓷的制备工艺主要包含两部分：纳米陶瓷粉体的制备和致密化成块状纳米陶瓷材料。世界上对纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样，但应用较广且方法较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成2种。

纳米粉体的制备

气相合成：气相合成又分为气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法等。化学气相合成法既可制备纳米非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体。该法合成的粉体具有较强的低温可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料的坩埚中经加热直接蒸发成气态，以产生悬浮微粒或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制，粒径可小至3?4nm，是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一。

凝聚相合成（溶胶一凝胶法）：是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物，通过控制PH值、反应温度等条件让其水解、聚合，经溶胶凝胶而形成一种空间骨架结构，再脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米团。

致密化成块状纳米陶瓷材料

从纳米粉体制成块状纳米陶瓷材料，就是通过工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块状纳米陶瓷材料。在致密化的过程中，保持了纳米晶的特性。方法有：

沉降法：如在固体衬底上沉降。

原位凝固法：在反应室内设置一个充液氮的冷却管，纳米团冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接经漏斗送入压缩器，压缩成一定形状的块状纳米陶瓷材料。

烧结或热压法：烧结温度提高，增加了物质扩散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在烧结温度下，纳米颗粒以较快的速率粗化，制成块状纳米陶瓷材料。

纳米陶瓷的增强增韧

陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。当其添加纳米级粉料后，材料的力学性能能得到极大地改善，主要包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。

通常来说，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低。而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。

纳米陶瓷在一定程度上克服了传统陶瓷质地较脆、韧性和强度较差等缺点，并对材料的力学、电学、热学、磁学等性能产生重要影响。纳米陶瓷作为一种高科技产品，拓宽了传统陶瓷的应用领域，在军事、汽车、发动机、电子、防护等诸多方面独有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等恶劣环境下起着不可替代的作用。

增韧的方法一般有表面补强（例陶瓷表面的施釉、表面离子交换）、复合增韧（例金属与陶瓷的复合、纤维与陶瓷的复合）和相变增韧（如ZrO2的增韧作用）。

氧化铝陶瓷具有耐腐蚀、耐高温、耐磨损、质量轻、成本低等优点，是目前世界上生产量最大、应用面最广的工业陶瓷材料

氧化铝增韧陶瓷

在航天航空等斟防尖端技术领域和机械、冶金、化工等一般工业领域均有着广阔的应用前景，但其最致命的力学弱点便是其本身的脆性，这是由这类材料的结构特点所决定的。陶瓷材料中的化学键以共价键和离子键为主，这两类化学键都具有强的方向性和较高的结合强度，这就使得结构中难以发生显著的位错运动。因而限制了其实际应用范围的进一步推广。因此，陶瓷特别是氧化铝陶瓷的韧化变成了近年来结构陶瓷材料研究的核心课题。

氧化铝陶瓷的增韧方法:

一、氧化锆增韧

对氧化铝陶瓷的增韧是目前使用最多的增韧方法是纳米氧化增韧。当氧化铝中加入纯Zr02，粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷时，当添加含量适当时，可使韧性显著提高。其韧化效果主要来源于以下机理：1.使氧化铝晶粒基体细化。2. 氧化锆相变韧化。3.显微裂纹韧化。4. 裂纹转向与分叉。

使用高纯氧化铝陶瓷与ZrO2增韧氧化铝陶瓷力学性能对比：

99%氧化铝陶瓷 氧化锆增韧氧化铝陶瓷

密度 3.85 3.93

抗折强度 350MPa480MPa

抗压强度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗冲击强度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶须、纤维增韧

晶须是具有一定长径比(直径0.1—1.8 um，长35-l50um)，且缺陷少的陶瓷单晶。具有很高的强度，是一种非常好的陶瓷基复合材料的增韧增强体；纤维长度较陶瓷晶须长数倍，也是一种很好的陶瓷增韧体，同时两者可复合实用。用SiC、Si3N4等晶须或C、SiC等长纤维对氧化铝陶瓷进行复合增韧。晶须或纤维的加入可以增加断裂表面，即增加了裂纹的扩展通道。当裂纹扩展的剩余能量渗入到纤维(晶须)，发生纤维(晶须)的拔出、脱粘和断裂时，导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生偏转等，从而使复合材料韧性得到提高。但当晶须、纤维含量较高时，由于其拱桥效应而使致密化变得困难，从而引起密度的下降和性能下降。

三、颗粒增韧

在氧化铝材料中加入一定粒度的具有高弹性模量的颗粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分又，消耗断裂能，从而提高韧性。尽管颗粒增韧效果不如晶须、纤维，但用颗粒作为增韧剂制作颗粒增韧陶瓷基复合材料，其原料混合均匀化及烧结致密化都比纤维、品须复合材料简便易行。纳米颗粒复相陶瓷是在陶瓷基体中引入纳米级的第二相增强粒子，通常小于0.3um，可使材料的室温和高温性能大幅度提高，特别是强度值，上升幅度更大。

四、 氧化铝自增韧

采用纳米氧化粉末制备的陶瓷不加增塑剂仍旧在低温下显出极好的超塑性。纳米氧化铝对改善陶瓷晶粒的形状、品界特性等起到了很好的效果。通过合理选择成分及工艺，使一部分氧化铝晶粒在烧结中原位发育成具有较高长径比的柱状晶粒，从而获得晶须的一种增韧机制。这也称为原位增韧，这种技术消除了基体相与增强相界面的不相容性，保证了基体相与增强相的热力学稳定，并使界面干净，结合良好。

另外，控制显微结构；改变晶粒形状、粒径、品界特性、气孔率等提高其断裂韧性；使用亚微细且各向分布均匀氧化铝；提高氧化铝粉纯度，改善组织结构。这些都是增加氧化铝陶瓷韧性的有效手段。

B、“连续纤维增韧”航空材料，则说明该材料比钢铁轻、硬，但质地较脆，故B错误；

C、该材料是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成，属于混合物，没有固定的熔、沸点，故C正确；

D、该材料由无机物复合而成，为新型无机非金属材料，故D正确；

故选：B．

第一，由于陶器的烧成温度比较低，通常在800~1000℃，因此气孔率比较高。在陶器碎片的断面上，不难看见许多小孔洞，且组成陶器的颗粒也比较粗大。瓷器的烧成温度虽然要比陶器高得多（通常为1200~1400℃），组成的结构也比陶器细密多了，用肉眼可能看不出有什么细微的缺陷，但是，如果你通过显微镜观察，在瓷器碎片的断面上，就可以看到有许多细微的伤痕、裂纹、气孔、夹杂物。要是你把瓷器碎片放在倍数更大的电子显微镜下，那么，你还可以发现瓷器在晶体结构方面的缺陷，例如空位、位错等。而所有这些细微的裂纹、气孔、夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕，都可能成为陶瓷裂纹的发源地。

第二，由于陶瓷属于脆性材料，一旦出现裂纹，它不像金属那样具有塑性变形能力，所以，只好"打破沙锅（纹）到底"了。至于在热冲击的条件下，由于陶瓷的导热性较差，热膨胀系数大，热应力由此增加，因此，裂纹的扩展速度更会进一步加剧。在日常生活中，如果我们用砂锅炖（煮）食物，只能用文火慢慢加温，要是一开始就用猛火急烧，就会出现砂锅炸裂事故。即使是烧好后，也不能用水急冷。

那么采用什么具体办法才能制造出不怕撞击、不怕猛火急烧成韧性陶瓷呢？

所谓韧性陶瓷，必须克服普通陶瓷脆性这一缺点。经过许多科学家的不懈努力，现在人们终于找到了克服陶瓷脆性的“药方”。

首先，从改善内部结构着手。研究表明，在氧化锆陶瓷的原料中，添加少量的氧化钇、氧化镁、氧化钙等粉未，经高温烧制成氧化锆陶瓷后，其中的氧化锆便生成两种晶体，它们叫立方晶体和四方晶体。当陶瓷受到外力作用时，四方晶体便变成一种单斜晶体，体积迅速"膨胀"。由于晶体的体积急速增大，进而可阻止陶瓷中原先存在的细微裂纹的扩展。这样，陶瓷就不会破裂了。

其次，可在改善陶瓷的表面状态方面下功夫。一般说来，陶瓷的断裂大部分从表面的缺陷开始，因此，改善陶瓷的表面状态，犹如为防止陶瓷的破损设下了第一道屏障。具体方法为：通过化学或机械抛光技术消除陶瓷的表面缺陷：对氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通过控制表面氧化技术，便可消除表面缺陷或者使裂纹尖端变纯；通过热处理也可达到表面强化和增韧的目的。

第三，将纤维均匀地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的强度和韧性。其原理与我们在石灰石加入纸筋相类似。这是因为，将纤维加入陶瓷料中，具有三大作用：纤维不易拉断，在工作时可承担大部分外加负荷，从而减轻了陶瓷负担，进而使裂纹不易产生；纤维与陶瓷体结合在一起以后，具有很大的摩擦力，于是陶瓷的韧性可大大提高。即使陶瓷出现了细微裂纹，纤维也能将它们紧紧拉住，使裂纹不至于进一步扩展开来。韧性陶瓷可以制成陶瓷榔头、陶瓷菜刀、陶瓷剪刀等工业产品和生活用具。从外观上看，这些陶瓷制品与普通的钢铁制品并没有什么不同，只是毫无钢铁的成分。

韧性陶瓷除了不怕撞击不怕摔打的优点以后，还具有强度大、硬度高，抗化学腐等优点。它除了可以制作榔头和刀剪以外，还可以制造开瓶器、螺丝刀、斧头、锯子等器具。至于说到这些新产品的长处，那是显而易见的；用陶瓷菜刀切食物。不会在食物上留下令人讨厌的铁腥味，它特别适合于生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀的锋利程度不亚于钢制剪刀，可以用来截剪纸张、绸布等。由于它不会带磁性，因此特别适宜于剪接录音磁带和录像磁带。韧性陶瓷还可以用来制作手表壳，制造加工金属用的切削工具、防弹盔甲、人造骨骼和关节。不过，科学家对韧性陶瓷最感兴趣的是利用它代替金属材料制造发动机。近几年，伊朗的建筑卫生陶瓷工业发展很快，但制造墙地砖及卫生洁具的设备则全部依赖进口，大多来自意大利和德国。伊朗工业部正在大力扶持国内的陶瓷机械及配套产品的开发，自1999年开始，进口陶机类产品受到严格的限制。所以有关专家指出，若能在伊朗开发陶瓷机械产品，必将大有前途。

影响陶瓷材料强度的因素是多方面的,材料强度的本质是内部质点(原子、离子、分子）间的结合力，为了使材料实际强度提高到理论强度的数值，长期以来进行了大量研究。从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构既定的情况下，控制强度的主要因素有三个，即弹性模量E，断裂功（断裂表面能） 和裂纹尺寸 。其中E是非结构敏感的， 与微观结构有关，但对单相材料，微观结构对 的影响不大，唯一可以控制的是材料中的微裂纹，可以把微裂纹理解为各种缺陷的总和。所以强化措施大多从消除缺陷和阻止其发展着手。值得提出的有下列几个方面。

（1）微晶, 高密度与高纯度 为了消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方面。近年来出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷,例如用热压工艺制造的 陶瓷密度接近理论值,几乎没有气孔，特别值得提出的是各种纤维材料及晶须。表1-6列出一些纤维晶须的特性,从表中可以看出,将块体材料制成细纤维,强度大约提高一个数量级,而制成晶须则提高两个数量级,与理论强度的大小同数量级。晶须提高强度的主要原因之一就是大大提高了晶体的完整性,实验指出,晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。

表1-6 几种陶瓷材料的块体、纤维及晶须的抗拉强度

材料

抗拉强度/MPa

块体

纤维

晶须

Al2O3

BeO

ZrO2

Si3N4

280

140(稳定化）

140(稳定化）

120~140（反应烧结）

2100

-

2100

21000

13333

-

14000

（2）预加应力 人为地预加应力,在材料表面造成一层压应力层,就可提高材料的抗张强度。脆性断裂通常是在张应力作用下,自表面开始,如果在表面造成一层残余压应力层,则在材料使用过程中表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余压应力。通过一定加热、冷却制度在表面人为地引入残余压应力的过程叫做热韧化。这种技术已被广泛用于制造安全玻璃(钢化玻璃),如汽车飞机门窗,眼镜用玻璃。方法是将玻璃加热到转变温度以上但低于熔点,然后淬冷,这样,表面立即冷却变成刚性的,而内部仍处于软化状态,不存在应力。在以后继续冷却中,内部将比表面以更大速率收缩,此时是表面受压,内部受拉,结果在表面形成残留压应力。图1-54是热韧化玻璃板受横向弯曲时,残余应力,作用应力及合成应力分布的情形。这种热韧化技术近年来发展到用于其他结构陶瓷材料,淬冷不仅在表面造成压应力,而且还可使晶粒细化。利用表面层与内部的热膨胀系数不同,也可以达到预加应力的效果。

图1-54 热韧化玻璃板受横向变曲荷载时,残余应力、作用应力及合成应力分布

（3）化学强化 如果要求表面残余压应力更高,则热韧化的办法就难以做到,此时就要采用化学强化(离子交换)的办法。这种技术是通过改变表面的化学组成,使表面的摩尔体积比内部的大。由于表面体积胀大受到内部材料的限制,就产生一种两向状态的压应力。可以认为这种表面压力和体积变化的关系近似服从虎克定律,即:

(1-105)

如果体积变化为2%,E=70GPa,μ=0.25,则表面压应力高达930MPa。

通常是用一种大的离子置换小的,由于受扩散限制及受带电离子的影响,实践上,压力层的厚度被限制在数百微米范围内。在化学强化的玻璃板中,应力分布情况和热韧化玻璃不同,在热韧化玻璃中形状接近抛物线,且最大的表面压应力接近内部最大张应力的两倍，但在化学强化中，通常不是抛物线形，而是在内部存在一个接近平直的小的张应力区，到化学强化区突然变为压应力。表面压应力与内部张应力之比可达数百倍。如果内部张应力很小，则化学强化的玻璃可以切割和钻孔。但如果压应力层较薄而内部张应力较大，内部裂纹能自发扩展。破坏时可能裂成碎块。化学强化方法目前尚在发展中，相信会得到更广泛的应用。

此外，将表面抛光及化学处理用以消除表面缺陷也能提高强度。强化材料的一个重要发展是复合材料的出现。复合材料是近年来迅速发展的领域之一。

（4）陶瓷材料的增韧

所谓增韧就是提高陶瓷材料强度及改善陶瓷的脆性,是陶瓷材料要解决的重要问题。与金属材料相比，陶瓷材料有极高的强度，其弹性模量比金属大很多。但大多数陶瓷材料缺乏塑性变形能力和韧性，见表1-7，极限应变小于0.1％~0.2％，在外力的作用下呈现脆性，并且抗冲击、抗热冲击能力也很差.脆件断裂往往导致了材料被破坏。一般的陶瓷材料在室温下塑性为零，这是因为大多数陶瓷材料晶体结构复杂、滑移系统少，位错生成能高,而且位错的可动性差。

表1-7 金属与陶瓷材料的室温屈服应力与断裂韧性

材料

性能

屈服应力

断裂韧性KIC/Mpa.m1/2

碳钢

马氏体时效钢

高温合金

钛合金

陶瓷HP-Si3N4

235

1670

981

1040

490

210

93

77

47

5.5~3.5

高强度的陶瓷缺乏足够的韧性，例如，容易碎块断裂的高强度,热处理玻璃一旦出现缺陷，其对破裂传播的障碍极小，会迅速地导致断裂。表1-8中所列的为玻璃和一些单晶体陶瓷的结构韧性的数值。

表1-8室温下陶瓷和复合材料的断裂韧性

材料

KIC/Mpa.m1/2

材料

KIC/Mpa.m1/2

硅酸盐玻璃

单晶NaCl

单晶Si

单晶MgO

单晶SiC

热压烧结SiC

单晶Al2O3

(0001)

(1010)

(1012)

(1120)

0.7~0.9

0.3

0.6

1

1.5

4~6

4.5

3.1

2.4

2.4

Al2O3

Al2O3-Al复合材料

热压、气压烧结Si3N4

立主稳定结构ZrO2

四方氧化锆(Y-TZP, Ce-TZP)

Al2O3-ZrO2复合材料

单晶WC

金属(Ni,Co)化合WC

铝合金

铸铁

钢

3.5~4

6~11

6~11

2.8

6~12

6.5~13

2

5~18

35~45

37~45

40~60

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。上述的情况同样适甩于粒子和短纤维强化的复合材料中。

(a)(b)

(a)明亮的扁平椭圆形区域是立方结构的氧化铝基底中的四方结构氧化锆；

(b)形变区在临界裂纹的一个薄层内，明亮的部分是变形单余氧化锆

图1-55 相变增韧氧化锆

微裂纹增韧：部分稳定ZrO2陶瓷在烧结冷却过程中,存在较粗四方相向单斜相的转变,引起体积膨胀,在基体中产生弥散分布的裂纹或者主裂纹扩展过程中在其尖端过程区内形成的应力诱发相变导致的微裂纹,这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹分叉或改变方向,增加了主裂纹扩展过程中的有效表面能,此外裂纹尖端应力集中区内微裂纹本身的扩展也起着分散主裂纹尖端能量的作用,从而抑制了主裂纹的快速扩展,提高了材料的韧性。

表面残余压应力增韧：陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到增强韧化的目的。控制含弥散四方 颗粒的陶瓷在表层发生四方相向单斜相相变,引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力。由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹,表面残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展,从而起到了增强增韧的作用。

弥散增韧: 在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料,达到增韧的效果,这称为弥散增韧。这种细粉料可能是金属粉末,加入陶瓷基体以后,以其塑体变形,来吸收弹性应变能的释放量,从而增加了断裂表面能,改善了韧性。细粉末也可能是非金属颗粒,在与基体生料颗粒均匀混合之后,在烧结或热压时,多半存在于晶界相中,以其高弹性模量和高温强度增加了整体的断裂表面能,特别是高温断裂韧性。

当基体的第二相为弥散颗粒时,增髯机制可能是裂纹受阻或裂纹偏转、相变增韧和弥散增韧。影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒大弹性模量和热膨胀系数之差以及两相之间的化学相容性。其中,化学相容性是要求既不出现过量的相间化学反应,同时又能保证较高的界面结合强度,这是颗粒产生有效增韧效果的前提条件。

当陶瓷基体中加入的颗粒具有高弹性模量时就会产生弥散增韧。其机制为:复合材料受拉伸时,高弹性模量第二相颗粒阻止基体横向收缩。为达到横向收缩协调，必需增大外加纵向拉伸压力，即消耗更多外界能量，从而起到增韧作用。颗粒弥散增韧与温度无关，因此可以作为高温增韧机制。纤维增强增韧复合材料，将在下节陈述。

在过去的20年中，人们在陶瓷材料的增韧方面做了大量的工作，通过对材料微结构的控制，成功的提高了断裂韧性和多晶、多相陶瓷的强度。到目前为止人们已经得到强度约1GPa，断裂韧性6~l0Mpa.m1/2的氮化硅；微粒稳定氧化锆和四方多晶氧化锆的断裂韧性和强度已可分别达到6~l0MPa.m1/2和0.6~lGPa；具有金属韧性的易延展陶瓷(金属的体积百分含量不超过30％)显示出更高的断裂韧性(10~15 MPa.m1/2)。而利用纤维增强的复合材料则因为其复合结构能在材料发生断裂前吸收大量的断裂功，有更加惊人的韧性，标准的屈服测量结果显示其断裂韧性可以达到20~25 MPa.m1/2。但值得注意的是复合材料的断裂过程与Griffith理论所描述的尖锐裂纹的传播过程是不同的。所有这些断裂韧性的进步使陶瓷材料增加了许多新的在结构方面的应用。例如，氮化硅在汽车部件(涡轮压缩机转子等)及高温汽轮机上的应用、形变增韧多晶氧化锆及其复合材料在大范围的低温条件下的应用，及纤维状或须状纤维增强的玻璃、玻璃状陶瓷和多晶陶瓷在发动机部件、切割工具、轴承等许多方面上的应用。

对氧化铝陶瓷的增韧是目前使用最多的增韧方法是添加20%的氧化锆（ZrO2）增韧。当氧化铝中加入纯Zr02，粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷时，当添加含量适当时，可使韧性显著提高。

其韧化效果主要来源于以下机理：

1.使氧化铝晶粒基体细化。

2. 氧化锆相变韧化。

3.显微裂纹韧化。

4. 裂纹转向与分叉。商用高纯氧化铝陶瓷与ZrO2增韧氧化铝陶瓷力学性能对比99%氧化铝陶瓷 氧化锆增韧氧化铝陶瓷密度 ≥4.1，洛氏硬度≥90，维氏硬度≥1300，断裂韧性6.0， 抗折强度 480MPa，抗压强度 3600MPa ；

刚玉陶瓷材料具有耐高温、强度大、耐蠕变、耐磨耗、绝缘性好、重量轻等优良的特性 ,是一种理想的结构陶瓷材料 ,在许多工业部门得到了广泛的应用 随着科学技术的发展 ,其应用领域不断扩大 ,作为一种新型的结构陶瓷材料已经应用于大功率发电机的部件、精密的机械加工部件、电子技术领域中的部件等新的科技领域 在这些新科技领域中的应用 ,对刚玉陶瓷材料的性能提出了更高的要求 由于刚玉陶瓷材料的脆性 ,使其应用范围受到了限制 为了克服陶瓷材料的脆性 ,提高安全可靠性 ,其韧化是当代陶瓷学家们所面临的重要课题之一，对于陶瓷材料已经提出了多种增韧机理 ,较成熟和应用较广泛的增韧方法有ZrO2 增韧和纤维增韧。目前中国市场有成功案例，精城特瓷生产的ZTA采用等静压制胚，隧道电阻窑烧制增韧氧化铝陶瓷，ZTA特种陶瓷。

大家都知道天然氧化铝是刚玉，莫式硬度为9，立方氧化锆的莫式硬度为8.5，但是从工业耐磨陶瓷防磨使用的角度来看，并非硬度越高越好，还要看陶瓷韧性，硬度和韧性都要高，才能说是最好的耐磨陶瓷。并不是说氧化锆陶瓷就不如氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷在高温下的晶格相非常稳定，还原到常温下氧化锆陶瓷晶格就受损。因此常温下就纯氧化铝和纯氧化锆来说氧化铝的硬度更高，理论也就更耐磨。但是氧化铝耐磨陶瓷是混合体，它是经过人工配料然后干压成型、烧结1680℃而成的，并非纯纯的刚玉。因此要看陶瓷的氧化铝含量，有的厂家有85%氧化铝陶瓷，92%氧化铝陶瓷，95%氧化铝陶瓷，99%氧化铝陶瓷等多种陶瓷，精城耐磨陶瓷在这个耐磨陶瓷行业研究很深很专业，精城生产的耐磨陶瓷洛氏硬度为HRA82-90，断裂韧性KIC≥7.5Mpa.m1/2，硬度仅次于金刚石。

增韧氧化铝陶瓷是在氧化铝的基础上增加一定的氧化锆陶瓷配料，耐磨性和韧性介于氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷之间，因为氧化锆陶瓷的价格较高，使用者一次性投入比较大，生产使用最多的厂家主要是欧美企业和澳大利亚必和必拓等大集团。

而氧化锆陶瓷在高温下的晶格稳定，一到常温下晶格相就受损，所以94.4%的氧化锆在常温下达到稳定状态必须添加5.6%稳定剂（稀土等），粉末干压成型，烧结1560℃而成，硬度和韧性就会超过99%氧化铝陶瓷，它的耐磨性和抗冲击性就超过了99%氧化铝陶瓷。如果不添加稳定剂，陶瓷就容易开裂，所以氧化锆球作为研磨材料，是因为它具备硬度和韧性都很大的。

所以精城特瓷的耐磨陶瓷的特点突出，如下：

1.硬度高，耐磨性能优异

氧化铝陶瓷采用95%AL2O3添加多种耐磨材料的独特配方，氧化铝95%、 Cr2O31.5%、TiO20.3%、 SiO21.8%、 Fe2O30.2%、 Na2O0.2%、稀土1%。100吨干压成型，具有密度大、韧性高、耐磨损等特点。经中科院上海硅酸盐研究所检测，精城特瓷生产的耐磨陶瓷的耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。

2.韧性强（抗冲击性能优异）

一般公司达不到，湖南精城公司生产的耐磨陶瓷在配方中引入了与Al2O3晶格很相近的Cr2O3和TiO2，同时添加了从日本东芝公司引进的ZnO晶须，在烧结过程中与Al2O3形成固熔体，起到细化晶粒，促进烧结和提高断裂韧性的作用，氧化铝断裂韧性达到KIC≥4.8Mpa.m1/2，氧化锆陶瓷的断裂韧性KIC≥7.5Mpa.m1/2，同时，陶瓷下面增加橡胶层弹性好，对大块物料的冲击具有良好的缓冲能力。

陶瓷材料已经成为一个十分庞大的家族，其分类也可依照不同的标准进行。

按性能分类：功能陶瓷、结构陶瓷

按用途分类：水泥、耐火材料、玻璃

按成分分类：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷

先进陶瓷材料：

所有采用无机原料做成的材料都成为陶瓷材料

主要区别：（1）原料不同，大部分采用人工合成原料；

（2）在制备、成型技术与烧结工艺方面有重大革新

（3）材料的成分包括碳化物、氮化物、硼化物等

（4）材料的性能有大幅度的提高，主要应用于高科技领域。

先进陶瓷材料按其应用领域的不同可以分为工程陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷三大类。

工程陶瓷：主要包括氧化物类、氮化物类和碳化物

用于制造刀具和耐磨件，高温热电偶保护管及坩埚，集成电路基片和多层封装管壳及高频绝缘瓷体等，其用量约占结构陶瓷的一半以上。

氧化铝陶瓷（Al2O3）：氧化铝含量在85%以上的材料统称为氧化铝陶瓷，含量在99%以上的称为刚玉陶瓷。氧化铝的熔点高达2050℃，很高的硬度（莫氏硬度为九级），弹性模量为390GPa，很好的绝缘性能和低的介电常数。

主要用途：现代陶瓷可用做量具，陶瓷密封件、陶瓷刃具以及陶瓷替代金属的零部件等。

半球面型特种陶瓷片镶嵌在特种橡胶内，形成既耐磨损又耐打击的坚固的防磨层。广泛适用于火力发电厂的输煤系统及冶金、钢铁系统的烧结厂的输料、配料系统的料斗、料仓等落差高、冲击大的部位上。

电子陶瓷95、99氧化铝陶瓷，可用于各种规格的电真空陶瓷管壳及金属化和釉化产品。为生产电真空器件的厂家提供电气性能、机械性能优越的配套瓷件。

氧化锆粉体经压制成型并经过高温烧结也可以制成陶瓷，称为氧化锆陶瓷，并非只是在陶瓷粉体中加入氧化锆粉体。

当氧化铝陶瓷(Al2O3)中加入ZrO2（非稳定ZrO2）粒子形成Al2O3+ZrO2（ZrO2增韧Al2O3）陶瓷时，则由于氧化锆（ZrO2）粒子转变诱发显微裂纹可使韧性显著提高。从氧化锆ZrO2含量及粒径对Al2O3+ZrO2陶瓷韧性的影响，可以看出，对应某一氧化锆ZrO2粒径有一个最佳ZrO2含量，即此时诱发裂纹密度较高，但又不相互连接。当氧化锆ZrO2过高时，形成相互连接裂纹而使韧性下降。

还可以看出，随氧化锆ZrO2粒子走私的增大，临界氧化锆ZrO2含量下降，说明大氧化锆ZrO2粒子诱发的裂纹尺寸大，容易相互连接形成危险裂纹。将氧化锆ZrO2的t-->m相变韧化作用及由于t-->m相变而派生出来的显微裂纹韧化与残余应韧化作用引入Al2O3等基体，可使其韧性得到显著提高。氧化锆ZrO2增韧氧化铝Al2O3基体复合材料的性能与ZrO2含量的关系。

增加陶瓷韧性的主要方法：

（1）采用高纯、超细的粉末原料，改进成型和烧结工艺，从而获得结构致密、均匀的陶瓷材料。

（2）引入细小弥散分布的第二相颗粒，实现颗粒增强与增韧，其主要原理是利用两相膨胀系数的差异，在基体与第二相之间产生一个压应力，使裂纹尖端的张应力得到缓解。

（3）通过相变增韧。利用陶瓷在相变时产生的体积变化，在受到应力时诱发相变，由于产生体积变化而产生压应力，这种压应力正好抵消了裂纹尖端的拉应力从而使断裂韧性提高。

（4）纤维增强与增韧。在陶瓷中加入另一种结构上更加完好的陶瓷晶须。由于在裂纹扩展时需要把断裂面上的晶须拔出，使得阻力增加而断裂韧性增加。