阻止氧化鋯陶瓷裂紋擴(kuò)展的主要增韌方法

        氧化鋯陶瓷的斷裂主要是由于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的，那么如何阻止氧化鋯陶瓷裂紋擴(kuò)展的主要增韌方法有：

       1．分散氧化鋯陶瓷裂紋尖端應(yīng)力；

       2．消耗氧化鋯陶瓷裂紋擴(kuò)展的能量，增大裂紋擴(kuò)展所需克服的能壘；

       3．轉(zhuǎn)換氧化鋯陶瓷裂紋擴(kuò)展的能量。

       氧化鋯陶瓷的增韌方法包括：相變?cè)鲰g、顆粒增韌、纖維增韌、自增韌、彌散韌化、協(xié)同增韌、納米增韌等。

       氧化鋯陶瓷相變?cè)鲰g：

       氧化鋯陶瓷亞穩(wěn)定四方相t—ZrO2在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對(duì)裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙氧化鋯陶瓷裂紋擴(kuò)展，起到氧化鋯陶瓷增韌的作用。這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g機(jī)理。另外相變?cè)鲰g也是可以應(yīng)用于功能陶瓷的。

       如：鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變?cè)鲰g機(jī)制，在壓電陶瓷材料中，利用使產(chǎn)生裂紋的外應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而達(dá)到增韌的目的。外界條件對(duì)氧化鋯陶瓷相變有很大的影響，如：激光沖擊、疲勞斷裂韌性、低溫、晶粒尺寸和含量、臨界轉(zhuǎn)變能量、大氣中的水蒸汽等。如果相變產(chǎn)生大的應(yīng)力和體積變化，則產(chǎn)品容易斷裂。

       在研究了氧化鋁－氧化鋯復(fù)合材料（≥20vol%ZrO2）的內(nèi)部應(yīng)力和馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變的溫度（Ms）：氧化鋯陶瓷的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變的溫度Ms由單斜，四方兩相的熱膨脹系數(shù)的差異引起的內(nèi)應(yīng)力引起的。內(nèi)應(yīng)力隨氧化鋯陶瓷含量的減少而粒子大小增大而增大。低氧化鋯陶瓷含量導(dǎo)致了氧化鋯陶瓷粒子的單獨(dú)存在，而高氧化鋯陶瓷含量導(dǎo)致了氧化鋯陶瓷粒子的相互連接，在氧化鋯陶瓷相變?cè)鲰g時(shí)需要添加適當(dāng)?shù)牧俊?br/>
       氧化鋯陶瓷顆粒增韌：

       氧化鋯陶瓷用顆粒做增韌劑，盡管效果不及晶須與纖維，但若顆粒種類、粒徑、含量和基體材料選擇得當(dāng)，仍有一定的強(qiáng)韌效果，而且其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行，氧化鋯陶瓷增韌的同時(shí)會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度和高溫蠕變性能的改善。氧化鋯陶瓷顆粒增韌的韌化機(jī)理主要有細(xì)化基體晶粒和裂紋轉(zhuǎn)向分叉等。

       氧化鋯陶瓷拉脫/橋接效應(yīng)—纖維、晶須增韌原理：

       氧化鋯陶瓷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(yīng)力，抵消裂紋尖端的外應(yīng)力，鈍化裂紋擴(kuò)展，從而起到了氧化鋯陶瓷增韌作用；此外，裂紋擴(kuò)展時(shí)，柱狀晶體的拔出時(shí)也要克服摩擦力，也會(huì)起到氧化鋯陶瓷增韌的作用。增韌方法的研究進(jìn)展采用蒸發(fā)/冷凝法制備多孔莫來(lái)石和氧化鋯陶瓷CMC陣列增韌。

       裂紋彎曲轉(zhuǎn)向—顆粒、纖維晶須增韌、自增韌原理：

       氧化鋯陶瓷由于柱狀晶的存在，導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變和增加了裂紋擴(kuò)展的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴(kuò)展阻力。

       氧化鋯陶瓷彌散韌化：

       四方ZrO2顆粒對(duì)氧化鋯陶瓷基體的韌化，除了相變韌化機(jī)制以外還有第二相質(zhì)點(diǎn)氧化鋯陶瓷的彌散韌化機(jī)制。引入一個(gè)特殊的參數(shù)K/α與屈服準(zhǔn)則。平面應(yīng)變條件下，混合模式的I－III固定裂縫和穩(wěn)態(tài)增長(zhǎng)裂縫的理論增韌表達(dá)式與本構(gòu)模型。所取得的成果可以相變?cè)鲰g陶瓷材料的研究提供有益的理論參考。

       氧化鋯陶瓷殘余應(yīng)變能增韌：

       氧化鋯陶瓷殘余應(yīng)變能增韌與相轉(zhuǎn)變的原理基本相似，在氧化鋯陶瓷裂紋進(jìn)行擴(kuò)展之前，首先得克服氧化鋯陶瓷樣品本身的內(nèi)部殘余應(yīng)變能，從而達(dá)到氧化鋯陶瓷增韌的目的。采用層壓ZrB2–SiC氧化鋯陶瓷是由不同含量的SiC堆疊而成。疊層氧化鋯陶瓷表現(xiàn)出較高的斷裂載荷時(shí)的缺口尖端位于壓縮層，而顯示較低的斷裂載荷時(shí)的缺口顯示為抗拉伸層內(nèi)。出現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)驗(yàn)證了殘余壓應(yīng)力增韌。

       氧化鋯陶瓷微裂紋增韌：

       氧化鋯陶瓷微裂紋增韌在裂紋應(yīng)力尖端加入韌性材料，使其產(chǎn)生微裂紋，達(dá)到分散應(yīng)力的目的，減少裂紋前進(jìn)的動(dòng)力，從而增加氧化鋯陶瓷材料的韌性。在氧化鋯陶瓷材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，往往也會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生微裂紋。因此相轉(zhuǎn)變?cè)鲰g的效果是顯著的。

       氧化鋯陶瓷納米增韌：

       氧化鋯陶瓷納米增韌第一種是“細(xì)化理論”，認(rèn)為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長(zhǎng)大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性。

       氧化鋯陶瓷納米增韌第二種是“穿晶理論”，認(rèn)為納米復(fù)合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部形成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。這樣便能減弱主晶界的作用，誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時(shí)產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，
從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性。

       氧化鋯陶瓷納米增韌第三種是“釘扎”理論，認(rèn)為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，從而限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生，晶界的增強(qiáng)導(dǎo)致納米復(fù)相陶瓷韌性的提高。納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得可以改善陶瓷最大的缺陷———脆性的納米陶瓷應(yīng)用而生。

       英國(guó)材料學(xué)家曾說(shuō)納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。納米復(fù)相陶瓷即陶瓷基納米復(fù)合材料，是指異質(zhì)相納米顆粒均勻的彌散在陶瓷基體中形成的復(fù)合材料。當(dāng)納米粒子主要分布在陶瓷基體晶粒內(nèi)部時(shí)，稱為晶內(nèi)型納米復(fù)相陶瓷；當(dāng)納米粒子主要分布在陶瓷基體晶粒間界時(shí)，稱為晶間型納米復(fù)相陶瓷。通常這兩者復(fù)合型態(tài)很容易同時(shí)存在，稱為混合型復(fù)相陶瓷。按基體與分散相粒徑大小劃分，納米復(fù)相陶瓷包括微米級(jí)粒徑構(gòu)成的基體與納米級(jí)分散相的復(fù)合、納米級(jí)晶粒構(gòu)成的基體與納米級(jí)分散相的復(fù)合兩種情況。納米復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)觀察研究表明，納米復(fù)相陶瓷具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)。

       （1）納米復(fù)相陶瓷力學(xué)性能有顯著提高，提高的程度有時(shí)達(dá)數(shù)倍。

       （2）納米復(fù)相陶瓷具有多重界面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。首先，微米級(jí)的基體顆粒（0．5～5μm）形成主晶界；其次，彌散的顆粒往往不在主晶界，而是處在基體顆粒的內(nèi)部，形成“晶內(nèi)型”復(fù)合結(jié)構(gòu)，在納米顆粒與主晶界顆粒間形成次級(jí)晶界。“晶內(nèi)結(jié)構(gòu)”和次級(jí)晶界是陶瓷基復(fù)合材料出現(xiàn)的新的結(jié)構(gòu)形式，而且這種結(jié)構(gòu)的存在對(duì)材料的力學(xué)性能有重要的影響。
納米復(fù)相陶瓷中，微米或亞微米基體晶粒與納米增強(qiáng)相顆粒共存，納米顆粒分布在材料基體晶粒內(nèi)部，增強(qiáng)了晶界強(qiáng)度，大幅度提高材料的力學(xué)性能和可靠性；使易碎的陶瓷可以變成富有韌性的特殊材料。因此納米復(fù)相陶瓷成為最接近實(shí)用化的納米陶瓷。

       氧化鋯陶瓷復(fù)合增韌：

       氧化鋯陶瓷復(fù)合增韌在實(shí)際增韌過(guò)程中往往是由幾種增韌機(jī)理同時(shí)起作用，而不是某個(gè)單獨(dú)機(jī)理，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇具體的氧化鋯陶瓷增韌機(jī)理。氧化鋯陶瓷結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，不同的氧化鋯陶瓷增韌機(jī)理主要通過(guò)線性效應(yīng)起作用，其效果遠(yuǎn)大于它們單獨(dú)作用之和。

       如：加和效應(yīng)、平均效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)。由TiH2－B－SiC－B4C混合物球磨后經(jīng)反應(yīng)脈沖電流燒結(jié)得到的TiB2－SiC復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)在原位上生長(zhǎng)拉長(zhǎng)方向上形成片狀
TiB2顆粒，可以提高復(fù)合材料的力學(xué)和斷裂韌性。

       氧化鋯陶瓷增韌技術(shù)的局限性：

       氧化鋯陶瓷增韌技術(shù)雖然眾多，但是各種增韌技術(shù)都有自身的特點(diǎn)和局限性。

       氧化鋯陶瓷顆粒彌散增韌操作比較簡(jiǎn)單，但氧化鋯陶瓷增韌效果不顯著。

       氧化鋯陶瓷納米級(jí)顆粒引入氧化鋯陶瓷基體中取得了很好的增強(qiáng)增韌效果，但制備納米復(fù)相陶瓷成本較高。

       氧化鋯陶瓷相變?cè)鲰g效果顯著，能較好地應(yīng)用于氧化鋯陶瓷中。實(shí)現(xiàn)相變?cè)鲰g需要將高溫四方相穩(wěn)定至室溫，獲得室溫下受應(yīng)力時(shí)可發(fā)生相變的四方相。四方相穩(wěn)定至室溫可以通過(guò)添加一定的穩(wěn)定劑并適當(dāng)控制制備工藝而得到，穩(wěn)定劑主要是離子半徑與Zr4+相差不超40%的稀土或堿土氧化物。其中較常用的是Y2O3、CeO2、Sc2O3、La2O3、CaO、MgO，除此之外幾種有代表性的稀土氧化物穩(wěn)定劑有Nb2O5、Ta2O5等。這些穩(wěn)定劑可以單獨(dú)穩(wěn)定也可以復(fù)合穩(wěn)定，但是各種單一穩(wěn)定劑穩(wěn)定氧化鋯陶瓷都有一些不足，應(yīng)用受到限制。

       氧化鋯陶瓷復(fù)合穩(wěn)定劑可以改善氧化鋯陶瓷材料的燒結(jié)性能、提高氧化鋯陶瓷力學(xué)性能，但也使氧化鋯陶瓷材料的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，復(fù)合穩(wěn)定劑的添加量、比例使穩(wěn)定效果非常復(fù)雜，且協(xié)同穩(wěn)定作用機(jī)理也變得復(fù)雜而模糊。

       綜上所述，只有合理地將氧化鋯陶瓷增韌的方法與實(shí)際用相結(jié)合起來(lái)，才能促進(jìn)氧化鋯陶瓷的發(fā)展，從而研制出適合于具體應(yīng)用的各種氧化鋯陶瓷，提高和改善氧化鋯陶瓷的強(qiáng)度。