阻止氧化锆陶瓷裂纹扩展的主要增韧方法

        氧化锆陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何阻止氧化锆陶瓷裂纹扩展的主要增韧方法有：

       1．分散氧化锆陶瓷裂纹尖端应力；

       2．消耗氧化锆陶瓷裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；

       3．转换氧化锆陶瓷裂纹扩展的能量。

       氧化锆陶瓷的增韧方法包括：相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米增韧等。

       氧化锆陶瓷相变增韧：

       氧化锆陶瓷亚稳定四方相t—ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变，形成单斜相，产生体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍氧化锆陶瓷裂纹扩展，起到氧化锆陶瓷增韧的作用。这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。另外相变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。

       如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。外界条件对氧化锆陶瓷相变有很大的影响，如：激光冲击、疲劳断裂韧性、低温、晶粒尺寸和含量、临界转变能量、大气中的水蒸汽等。如果相变产生大的应力和体积变化，则产品容易断裂。

       在研究了氧化铝－氧化锆复合材料（≥20vol%ZrO2）的内部应力和马氏体开始转变的温度（Ms）：氧化锆陶瓷的马氏体开始转变的温度Ms由单斜，四方两相的热膨胀系数的差异引起的内应力引起的。内应力随氧化锆陶瓷含量的减少而粒子大小增大而增大。低氧化锆陶瓷含量导致了氧化锆陶瓷粒子的单独存在，而高氧化锆陶瓷含量导致了氧化锆陶瓷粒子的相互连接，在氧化锆陶瓷相变增韧时需要添加适当的量。

       氧化锆陶瓷颗粒增韧：

       氧化锆陶瓷用颗粒做增韧剂，尽管效果不及晶须与纤维，但若颗粒种类、粒径、含量和基体材料选择得当，仍有一定的强韧效果，而且其优点是简便易行，氧化锆陶瓷增韧的同时会带来高温强度和高温蠕变性能的改善。氧化锆陶瓷颗粒增韧的韧化机理主要有细化基体晶粒和裂纹转向分叉等。

       氧化锆陶瓷拉脱/桥接效应—纤维、晶须增韧原理：

       氧化锆陶瓷在紧靠裂纹尖端的晶体，由于变形而给裂纹表面加上了闭合应力，抵消裂纹尖端的外应力，钝化裂纹扩展，从而起到了氧化锆陶瓷增韧作用；此外，裂纹扩展时，柱状晶体的拔出时也要克服摩擦力，也会起到氧化锆陶瓷增韧的作用。增韧方法的研究进展采用蒸发/冷凝法制备多孔莫来石和氧化锆陶瓷CMC阵列增韧。

       裂纹弯曲转向—颗粒、纤维晶须增韧、自增韧原理：

       氧化锆陶瓷由于柱状晶的存在，导致裂纹发生偏转，改变和增加了裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。

       氧化锆陶瓷弥散韧化：

       四方ZrO2颗粒对氧化锆陶瓷基体的韧化，除了相变韧化机制以外还有第二相质点氧化锆陶瓷的弥散韧化机制。引入一个特殊的参数K/α与屈服准则。平面应变条件下，混合模式的I－III固定裂缝和稳态增长裂缝的理论增韧表达式与本构模型。所取得的成果可以相变增韧陶瓷材料的研究提供有益的理论参考。

       氧化锆陶瓷残余应变能增韧：

       氧化锆陶瓷残余应变能增韧与相转变的原理基本相似，在氧化锆陶瓷裂纹进行扩展之前，首先得克服氧化锆陶瓷样品本身的内部残余应变能，从而达到氧化锆陶瓷增韧的目的。采用层压ZrB2–SiC氧化锆陶瓷是由不同含量的SiC堆叠而成。叠层氧化锆陶瓷表现出较高的断裂载荷时的缺口尖端位于压缩层，而显示较低的断裂载荷时的缺口显示为抗拉伸层内。出现裂纹偏转验证了残余压应力增韧。

       氧化锆陶瓷微裂纹增韧：

       氧化锆陶瓷微裂纹增韧在裂纹应力尖端加入韧性材料，使其产生微裂纹，达到分散应力的目的，减少裂纹前进的动力，从而增加氧化锆陶瓷材料的韧性。在氧化锆陶瓷材料发生相转变时，往往也会导致残余应变能效应以及产生微裂纹。因此相转变增韧的效果是显著的。

       氧化锆陶瓷纳米增韧：

       氧化锆陶瓷纳米增韧第一种是“细化理论”，认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大，使基体结构均匀细化，从而提高纳米陶瓷复合材料强度韧性。

       氧化锆陶瓷纳米增韧第二种是“穿晶理论”，认为纳米复合材料中，基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部形成“晶内型”结构。这样便能减弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂，使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂，
从而提高纳米陶瓷复合材料强度和韧性。

       氧化锆陶瓷纳米增韧第三种是“钉扎”理论，认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生“钉扎”效应，从而限制了晶界滑移和孔穴、蠕变的发生，晶界的增强导致纳米复相陶瓷韧性的提高。纳米技术的广泛应用使得可以改善陶瓷最大的缺陷———脆性的纳米陶瓷应用而生。

       英国材料学家曾说纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米复相陶瓷即陶瓷基纳米复合材料，是指异质相纳米颗粒均匀的弥散在陶瓷基体中形成的复合材料。当纳米粒子主要分布在陶瓷基体晶粒内部时，称为晶内型纳米复相陶瓷；当纳米粒子主要分布在陶瓷基体晶粒间界时，称为晶间型纳米复相陶瓷。通常这两者复合型态很容易同时存在，称为混合型复相陶瓷。按基体与分散相粒径大小划分，纳米复相陶瓷包括微米级粒径构成的基体与纳米级分散相的复合、纳米级晶粒构成的基体与纳米级分散相的复合两种情况。纳米复相陶瓷的力学性能与微观结构观察研究表明，纳米复相陶瓷具有两个显著的特点。

       （1）纳米复相陶瓷力学性能有显著提高，提高的程度有时达数倍。

       （2）纳米复相陶瓷具有多重界面的内部结构。首先，微米级的基体颗粒（0．5～5μm）形成主晶界；其次，弥散的颗粒往往不在主晶界，而是处在基体颗粒的内部，形成“晶内型”复合结构，在纳米颗粒与主晶界颗粒间形成次级晶界。“晶内结构”和次级晶界是陶瓷基复合材料出现的新的结构形式，而且这种结构的存在对材料的力学性能有重要的影响。
纳米复相陶瓷中，微米或亚微米基体晶粒与纳米增强相颗粒共存，纳米颗粒分布在材料基体晶粒内部，增强了晶界强度，大幅度提高材料的力学性能和可靠性；使易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料。因此纳米复相陶瓷成为最接近实用化的纳米陶瓷。

       氧化锆陶瓷复合增韧：

       氧化锆陶瓷复合增韧在实际增韧过程中往往是由几种增韧机理同时起作用，而不是某个单独机理，应根据实际情况来选择具体的氧化锆陶瓷增韧机理。氧化锆陶瓷结构复合材料中，不同的氧化锆陶瓷增韧机理主要通过线性效应起作用，其效果远大于它们单独作用之和。

       如：加和效应、平均效应、相补效应、相抵效应。由TiH2－B－SiC－B4C混合物球磨后经反应脉冲电流烧结得到的TiB2－SiC复合材料。发现在原位上生长拉长方向上形成片状
TiB2颗粒，可以提高复合材料的力学和断裂韧性。

       氧化锆陶瓷增韧技术的局限性：

       氧化锆陶瓷增韧技术虽然众多，但是各种增韧技术都有自身的特点和局限性。

       氧化锆陶瓷颗粒弥散增韧操作比较简单，但氧化锆陶瓷增韧效果不显著。

       氧化锆陶瓷纳米级颗粒引入氧化锆陶瓷基体中取得了很好的增强增韧效果，但制备纳米复相陶瓷成本较高。

       氧化锆陶瓷相变增韧效果显著，能较好地应用于氧化锆陶瓷中。实现相变增韧需要将高温四方相稳定至室温，获得室温下受应力时可发生相变的四方相。四方相稳定至室温可以通过添加一定的稳定剂并适当控制制备工艺而得到，稳定剂主要是离子半径与Zr4+相差不超40%的稀土或碱土氧化物。其中较常用的是Y2O3、CeO2、Sc2O3、La2O3、CaO、MgO，除此之外几种有代表性的稀土氧化物稳定剂有Nb2O5、Ta2O5等。这些稳定剂可以单独稳定也可以复合稳定，但是各种单一稳定剂稳定氧化锆陶瓷都有一些不足，应用受到限制。

       氧化锆陶瓷复合稳定剂可以改善氧化锆陶瓷材料的烧结性能、提高氧化锆陶瓷力学性能，但也使氧化锆陶瓷材料的组成和结构复杂化，复合稳定剂的添加量、比例使稳定效果非常复杂，且协同稳定作用机理也变得复杂而模糊。

       综上所述，只有合理地将氧化锆陶瓷增韧的方法与实际用相结合起来，才能促进氧化锆陶瓷的发展，从而研制出适合于具体应用的各种氧化锆陶瓷，提高和改善氧化锆陶瓷的强度。