阻止氧化鋯陶瓷裂紋擴展的主要增韌方法

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

       1．分散氧化鋯陶瓷裂紋尖端應力；

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

       3．轉換氧化鋯陶瓷裂紋擴展的能量。

       氧化鋯陶瓷的增韌方法包括：相變增韌、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。

       氧化鋯陶瓷相變增韌：

       氧化鋯陶瓷亞穩定四方相t—ZrO2在裂紋尖端應力場(chǎng)的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對裂紋形成壓應力，阻礙氧化鋯陶瓷裂紋擴展，起到氧化鋯陶瓷增韌的作用。這就是著(zhù)名的Garvie應力誘導相變增韌機理。另外相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(chǎn)生裂紋的外應力轉變?yōu)殡娔?，從而達到增韌的目的。外界條件對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、臨界轉變能量、大氣中的水蒸汽等。如果相變產(chǎn)生大的應力和體積變化，則產(chǎn)品容易斷裂。

       在研究了氧化鋁－氧化鋯復合材料（≥20vol%ZrO2）的內部應力和馬氏體開(kāi)始轉變的溫度（Ms）：氧化鋯陶瓷的馬氏體開(kāi)始轉變的溫度Ms由單斜，四方兩相的熱膨脹系數的差異引起的內應力引起的。內應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致了氧化鋯陶瓷粒子的單獨存在，而高氧化鋯陶瓷含量導致了氧化鋯陶瓷粒子的相互連接，在氧化鋯陶瓷相變增韌時(shí)需要添加適當的量。

       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(lèi)、粒徑、含量和基體材料選擇得當，仍有一定的強韌效果，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)高溫強度和高溫蠕變性能的改善。氧化鋯陶瓷顆粒增韌的韌化機理主要有細化基體晶粒和裂紋轉向分叉等。

       氧化鋯陶瓷拉脫/橋接效應—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力，抵消裂紋尖端的外應力，鈍化裂紋擴展，從而起到了氧化鋯陶瓷增韌作用；此外，裂紋擴展時(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，導致裂紋發(fā)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。

       氧化鋯陶瓷彌散韌化：

       四方ZrO2顆粒對氧化鋯陶瓷基體的韌化，除了相變韌化機制以外還有第二相質(zhì)點(diǎn)氧化鋯陶瓷的彌散韌化機制。引入一個(gè)特殊的參數K/α與屈服準則。平面應變條件下，混合模式的I－III固定裂縫和穩態(tài)增長(cháng)裂縫的理論增韌表達式與本構模型。所取得的成果可以相變增韌陶瓷材料的研究提供有益的理論參考。

       氧化鋯陶瓷殘余應變能增韌：

       氧化鋯陶瓷殘余應變能增韌與相轉變的原理基本相似，在氧化鋯陶瓷裂紋進(jìn)行擴展之前，首先得克服氧化鋯陶瓷樣品本身的內部殘余應變能，從而達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。出現裂紋偏轉驗證了殘余壓應力增韌。

       氧化鋯陶瓷微裂紋增韌：

       氧化鋯陶瓷微裂紋增韌在裂紋應力尖端加入韌性材料，使其產(chǎn)生微裂紋，達到分散應力的目的，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)生相轉變時(shí)，往往也會(huì )導致殘余應變能效應以及產(chǎn)生微裂紋。因此相轉變增韌的效果是顯著(zhù)的。

       氧化鋯陶瓷納米增韌：

       氧化鋯陶瓷納米增韌第一種是“細化理論”，認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長(cháng)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。

       氧化鋯陶瓷納米增韌第二種是“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(fā)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(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合材料強度和韌性。

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

       英國材料學(xué)家曾說(shuō)納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。納米復相陶瓷即陶瓷基納米復合材料，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合材料。當納米粒子主要分布在陶瓷基體晶粒內部時(shí)，稱(chēng)為晶內型納米復相陶瓷；當納米粒子主要分布在陶瓷基體晶粒間界時(shí)，稱(chēng)為晶間型納米復相陶瓷。通常這兩者復合型態(tài)很容易同時(shí)存在，稱(chēng)為混合型復相陶瓷。按基體與分散相粒徑大小劃分，納米復相陶瓷包括微米級粒徑構成的基體與納米級分散相的復合、納米級晶粒構成的基體與納米級分散相的復合兩種情況。納米復相陶瓷的力學(xué)性能與微觀(guān)結構觀(guān)察研究表明，納米復相陶瓷具有兩個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)。

       （1）納米復相陶瓷力學(xué)性能有顯著(zhù)提高，提高的程度有時(shí)達數倍。

       （2）納米復相陶瓷具有多重界面的內部結構。首先，微米級的基體顆粒（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部，形成“晶內型”復合結構，在納米顆粒與主晶界顆粒間形成次級晶界。“晶內結構”和次級晶界是陶瓷基復合材料出現的新的結構形式，而且這種結構的存在對材料的力學(xué)性能有重要的影響。
納米復相陶瓷中，微米或亞微米基體晶粒與納米增強相顆粒共存，納米顆粒分布在材料基體晶粒內部，增強了晶界強度，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。因此納米復相陶瓷成為最接近實(shí)用化的納米陶瓷。

       氧化鋯陶瓷復合增韌：

       氧化鋯陶瓷復合增韌在實(shí)際增韌過(guò)程中往往是由幾種增韌機理同時(shí)起作用，而不是某個(gè)單獨機理，應根據實(shí)際情況來(lái)選擇具體的氧化鋯陶瓷增韌機理。氧化鋯陶瓷結構復合材料中，不同的氧化鋯陶瓷增韌機理主要通過(guò)線(xiàn)性效應起作用，其效果遠大于它們單獨作用之和。

       如：加和效應、平均效應、相補效應、相抵效應。由TiH2－B－SiC－B4C混合物球磨后經(jīng)反應脈沖電流燒結得到的TiB2－SiC復合材料。發(fā)現在原位上生長(cháng)拉長(cháng)方向上形成片狀
TiB2顆粒，可以提高復合材料的力學(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(zhù)。

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

       氧化鋯陶瓷相變增韌效果顯著(zhù)，能較好地應用于氧化鋯陶瓷中。實(shí)現相變增韌需要將高溫四方相穩定至室溫，獲得室溫下受應力時(shí)可發(fā)生相變的四方相。四方相穩定至室溫可以通過(guò)添加一定的穩定劑并適當控制制備工藝而得到，穩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定劑有Nb2O5、Ta2O5等。這些穩定劑可以單獨穩定也可以復合穩定，但是各種單一穩定劑穩定氧化鋯陶瓷都有一些不足，應用受到限制。

       氧化鋯陶瓷復合穩定劑可以改善氧化鋯陶瓷材料的燒結性能、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構復雜化，復合穩定劑的添加量、比例使穩定效果非常復雜，且協(xié)同穩定作用機理也變得復雜而模糊。

       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用的各種氧化鋯陶瓷，提高和改善氧化鋯陶瓷的強度。