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陶瓷“脆”的原因

陶瓷材料都是由離子鍵或共價鍵所組成的多晶結構，它缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng),。材料一旦受到外加的負荷,，加上陶瓷工藝在材料表面構成的微缺陷的存在，都有可能構成裂紋源,，應力就會在這些裂紋的尖端集中,。陶瓷材料中沒有其他可以消耗外來能量的系統(tǒng)，只有以新的自由能予以交換,。這樣的結果就造成裂紋的快速擴展而表現(xiàn)為所謂脆性斷裂,。

簡單來說，陶瓷“脆”的原因主要有兩個：

1.陶器的燒成溫度較低,，通常為800℃～1000℃,，因此氣孔率比較高。在陶器碎片的斷面上,，不難看見許多小孔洞,，而且組成陶器的顆粒也比較粗大。就拿瓷器來說,，用肉眼可能看不出有什么細微缺陷,，但果通過顯微鏡觀察，在瓷器碎片的斷面上,，就可以看到許多細微的傷痕,、裂紋、氣孔和夾雜物,、晶體缺陷和表面?zhèn)���,，它們都可能成為陶瓷裂紋的發(fā)源地。 

2.陶瓷屬于脆性材料,，不具有塑性變形能力,，一旦出現(xiàn)裂紋，就只好打破砂鍋“紋”到底了,。在熱沖擊的條件下,，由于陶瓷的導熱性較差，熱膨脹系數(shù)大,，熱應力由此增加,，因此，裂紋的擴展速度會進一步加劇,。這就解釋了一個現(xiàn)象：在日常生活中,，如果我們用砂鍋燉煮食物，只能用文火慢慢加熱,，如果一開始就用猛火急燒,，就會出現(xiàn)砂鍋炸裂事故,。即使是燒好以后，也不能用水急冷,。

如何克服陶瓷脆性

通過對金屬熱處理和材料科學的認識,，我們知道金屬的性能與金屬中化學成分、缺陷以及采用的熱處理工藝有很大的關系,。因此,，陶瓷的脆性問題可以從以下幾個方面入手。

1. 自增韌陶瓷材料

從原材料方面,，在氧化鋯陶瓷的原料中添加少量的氧化釔,、氧化鎂、氧化鈣等粉末,。經高溫燒制成氧化鋯陶瓷后,，其中的氧化鋯便生成兩種晶體：立方晶體和四方晶體。當陶瓷受到外力作用時,，四方晶體便變成一種單斜晶體,，體積迅速“膨脹”。由于晶體的體積急速增大,，進而可阻止陶瓷中原先存在的細微裂紋的擴展,。這樣，陶瓷就不會破裂了,。 

2. 建立陶瓷材料中弱界面系統(tǒng)

既然在陶瓷材料中沒有可以吸收外來能量的機構存在,，在陶瓷材料中造就弱界面結構，就可以使裂紋的擴展可通過它們的解離來吸收外來能量,，而不至于損害整個材料,。

纖維補強陶瓷基復合材料

把纖維(或晶須)以一定的方式加入到陶瓷基體中去，一方面可以使高強度的纖維(晶須)分擔外加的負荷,，另一方面可以利用纖維(或晶須)與陶瓷基體的弱界面結合來造就對外來能量的吸收系統(tǒng),，從而達到改善陶瓷材料脆性的目的。

復相陶瓷材料

兩種不同的材料在一起,，由于熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不同,，必然會在兩個物質之間產生應力，這種在晶粒界面上所存在的應力是造就弱界面的主要根源,。很多研究結果表明，若其中有一種物質是納米級的晶粒存在于另一種物質的微米級晶粒之中（被稱之為納米-微米晶內復合）,，它們的強度與韌性居然有驚人地提高,。

3．功能梯度材料

在制作陶瓷涂層的工藝中，為了獲得較厚的涂層,，或者是由于金屬基體與陶瓷涂層在熱學和力學性能上的較大差異,，往往需要采用涂層組成的梯度變化，以求得到性能好和結合強度高的陶瓷涂層。

這種材料一面的組分是金屬材料,，它可以在很大程度上像金屬材料那樣使用,，它的韌性高，可以用金屬的工藝來與其他金屬部件連接起來,。另一面則是耐高溫的陶瓷材料,。這是極其巧妙的思路：它很好地避開了陶瓷脆性的弱點，滿足使用上的要求,。

4．納米陶瓷材料

從材料顯微結構的認識上,，材料中晶粒尺寸與材料性能有直接的關系。當陶瓷材料的晶粒尺寸達到納米的尺度,，材料的超塑性行為是普遍地存在的話,，陶瓷材料脆性問題的解決就有望了。但是,，要使陶瓷材料的晶粒尺寸達到納米的尺度,，并不是很容易能做到的事情。

小結

陶瓷材料的脆性一直是困惑陶瓷材料研究工作者的基本問題,，經過多年的研究論證,，陶瓷材料的脆性在很大程度上得到改善。但是否可以解決陶瓷材料的脆性問題,，尚不能作定論,。材料發(fā)展的總趨勢是向多功能發(fā)展，陶瓷材料更不能例外!