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(dǎo)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(yīng)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(zhuǎn)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(wěn)定四方相t—ZrO2在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下發(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(yīng)力，阻礙氧化鋯陶瓷裂紋擴展，起到氧化鋯陶瓷增韌的作用。這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌機理。另外相變增韌也是可以應(yīng)用于功能陶瓷的。

       如：鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變增韌機制，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)殡娔埽瑥亩_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(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)力和馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度（Ms）：氧化鋯陶瓷的馬氏體開始轉(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，在氧化鋯陶瓷相變增韌時需要添加適當?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，仍有一定的強韌效果，而且其優(yōu)點是簡便易行，氧化鋯陶瓷增韌的同時會帶來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(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，鈍化裂紋擴展，從而起到了氧化鋯陶瓷增韌作用；此外，裂紋擴展時，柱狀晶體的拔出時也要克服摩擦力，也會起到氧化鋯陶瓷增韌的作用。增韌方法的研究進展采用蒸發(fā)/冷凝法制備多孔莫來石和氧化鋯陶瓷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)點氧化鋯陶瓷的彌散韌化機制。引入一個特殊的參數(shù)K/α與屈服準則。平面應(yīng)變條件下，混合模式的I－III固定裂縫和穩(wěn)態(tài)增長裂縫的理論增韌表達式與本構(gòu)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(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行擴展之前，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的缺口尖端位于壓縮層，而顯示較低的斷裂載荷時的缺口顯示為抗拉伸層內(nèi)。出現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)驗證了殘余壓應(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，達到分散應(yīng)力的目的，減少裂紋前進的動力，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，往往也會導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生微裂紋。因此相轉(zhuǎn)變增韌的效果是顯著的。

       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(jié)構(gòu)均勻細化，從而提高納米陶瓷復(fù)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(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(yīng)，從而限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生，晶界的增強導(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。

       英國材料學家曾說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。當納米粒子主要分布在陶瓷基體晶粒內(nèi)部時，稱為晶內(nèi)型納米復(fù)相陶瓷；當納米粒子主要分布在陶瓷基體晶粒間界時，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)相陶瓷包括微米級粒徑構(gòu)成的基體與納米級分散相的復(fù)合、納米級晶粒構(gòu)成的基體與納米級分散相的復(fù)合兩種情況。納米復(fù)相陶瓷的力學性能與微觀結(jié)構(gòu)觀察研究表明，納米復(fù)相陶瓷具有兩個顯著的特點。

       （1）納米復(fù)相陶瓷力學性能有顯著提高，提高的程度有時達數(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晶界。“晶內(nèi)結(jié)構(gòu)”和次級晶界是陶瓷基復(fù)合材料出現(xiàn)的新的結(jié)構(gòu)形式，而且這種結(jié)構(gòu)的存在對材料的力學性能有重要的影響。
納米復(fù)相陶瓷中，微米或亞微米基體晶粒與納米增強相顆粒共存，納米顆粒分布在材料基體晶粒內(nèi)部，增強了晶界強度，大幅度提高材料的力學性能和可靠性；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，應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇具體的氧化鋯陶瓷增韌機理。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理主要通過線性效應(yīng)起作用，其效果遠大于它們單獨作用之和。

       如：加和效應(yīng)、平均效應(yīng)、相補效應(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)在原位上生長拉長方向上形成片狀
TiB2顆粒，可以提高復(fù)合材料的力學和斷裂韌性。

       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)都有自身的特點和局限性。

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

       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(fù)相陶瓷成本較高。

       氧化鋯陶瓷相變增韌效果顯著，能較好地應(yīng)用于氧化鋯陶瓷中。實現(xiàn)相變增韌需要將高溫四方相穩(wěn)定至室溫，獲得室溫下受應(yīng)力時可發(fā)生相變的四方相。四方相穩(wěn)定至室溫可以通過添加一定的穩(wěn)定劑并適當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際用相結(jié)合起來，才能促進氧化鋯陶瓷的發(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度。