中國粉體網(wǎng)訊  2023年12月20日,，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2023第六屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”在湖北宜昌成功召開,！在大會期間,，中國粉體網(wǎng)邀請到多位專家學(xué)者做客“對話”欄目,，與各位專家大咖就行業(yè)前沿技術(shù),、研究熱點,、科技成果轉(zhuǎn)化及行業(yè)發(fā)展前景等方面進(jìn)行了訪談交流。本期,，我們邀請到“對話”欄目的是華南理工大學(xué)饒平根教授,。

中國粉體網(wǎng)：饒教授，陶瓷材料斷裂韌性是怎么測定的,？有哪些因素影響其斷裂韌性,？

饒教授：斷裂韌性是先進(jìn)陶瓷的一個非常重要的力學(xué)指標(biāo)，它是衡量脆性的指標(biāo),，也是陶瓷的固有性能,。那么評價陶瓷斷裂韌性的方法有很多種，但是要測準(zhǔn)陶瓷的斷裂韌性，前提是需要預(yù)制出一條非常尖銳的裂紋出來,，目前我們傳統(tǒng)的主要評價方法是有四個,，各有優(yōu)缺點。

第一個方法是SENB法,，也是非常常用的一種方法,，該法是利用金剛石刀片切出一個U型槽，值得注意的是,，那個不是裂紋,，它只是一個有一定寬度的U型槽，但由于切口鈍化效應(yīng),，這會造成測量的斷裂韌性普遍偏高,。

第二個方法是IM法，該法是在測維氏硬度的同時,，也能給出斷裂韌性,，雖然這種方法很簡單，但是這種方法的評價可靠性非常低,。因為IM法的力學(xué)計算理論體系不完善,，關(guān)于它的計算公式就有大概30多個，所以,，后來有學(xué)者認(rèn)為這種方法不可靠,。

第三種方法是SEPB法，這個方法的初衷是很好的,，它是在試樣上先預(yù)制一個初始裂紋,，然后通過疲勞載荷或橋壓法使其擴(kuò)展形成滿足測試要求的裂紋，再測量樣品的斷裂韌性,。但在實際操作中很難控制：第一是否能預(yù)制出來,；第二是能預(yù)制出來后其長度很難控制。雖然有國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中有用這個方法,，但是沒有實際操作的意義,。

第四種方法是SEVNB法，它是用金剛石刀片先切出一個槽,，然后再用飛秒激光刻出一個尖銳的V型切口（小于0.5μm）,，相比于目前絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷的粒徑尺寸還要小，這樣可以很準(zhǔn)確地評價陶瓷的斷裂韌性,。

目前來說在這四種方法中,，前面三種方法在評價先進(jìn)陶瓷的斷裂韌性值時，要么偏高,，要么評價不準(zhǔn)確,，要么就是操作困難,。而我們研發(fā)改良的SEVNB法利用飛秒激光器來進(jìn)行預(yù)制超尖V切口，可以準(zhǔn)確評價陶瓷的斷裂韌性,，但是唯一的缺點就是飛秒激光器比較昂貴,，所以一般可能就是企業(yè)研究或高校來使用。所以,，我做這個工作就是提供SEVNB法與SENB測得的斷裂韌性擬合公式作為參考,，企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)可以根據(jù)結(jié)果來進(jìn)行研發(fā)。

中國粉體網(wǎng)：在實際應(yīng)用中,，Y-ZrO₂的斷裂韌性值在以往的報道中具有較大差異,，造成這種情況的原因是什么？

饒教授：這個問題提的很好,，在報告中我們也提到,。Y-ZrO₂在以往的報道中，包括放在10年前,，我都認(rèn)為氧化鋯的斷裂韌性超過10MPa·m^1/2,，這也是大家公認(rèn)的，雖然這個值可能會偏高一點,，但是到底偏高多少,，沒人能給出準(zhǔn)確答案。目前3Y氧化鋯（3mol%Y₂O₃）是最常用的Y-ZrO₂,，包括現(xiàn)在的氧化鋯球,、義齒、智能穿戴等用的都是3Y的,，其真實的斷裂韌性只有4.5MPa·m^1/2，與之前大家公認(rèn)10MPa·m^1/2相比差距很大,。為什么會引起這么大的差異,？關(guān)鍵就在于氧化鋯是一個細(xì)晶材料，一般像手機(jī)背板用2.5Y的,，晶粒尺寸差不多在0.5μm左右,，而用SENB法切槽評價斷裂韌性值明顯偏大。為什么評價結(jié)果偏大,？是因為用金剛石刀片切完之后,，它只是切出一個槽不是裂紋，在測試過程加載中要誘發(fā)裂紋,，它需要很高的應(yīng)力來誘發(fā),，這就必然會造成這種虛高的應(yīng)力，最終導(dǎo)致計算結(jié)果偏高,。那么,，我們研發(fā)的利用飛秒激光預(yù)制出的裂紋來模擬材料實際的裂紋,，可以準(zhǔn)確評價其斷裂韌性值，因此差就差在這里,。所以,，這個數(shù)據(jù)出來之后，大家一片嘩然,，原來氧化鋯還是一個脆性材料,。實際上，氧化鋯的抗彎強(qiáng)度很高,，大概在1.5GPa,，不遜色于金屬，是目前為止在結(jié)構(gòu)陶瓷中強(qiáng)度最高的一個材料,，但它還是一個脆性材料,。與常用的結(jié)構(gòu)陶瓷，如氧化鋁,、氮化硅,、碳化硅相比，氧化鋯還是屬于脆性材料,。

中國粉體網(wǎng)：對于提高Y-ZrO₂基結(jié)構(gòu)陶瓷的斷裂韌性,，您有哪些建議或思路？

饒教授：在評價Y-ZrO₂的斷裂韌性為4.5MPa·m^1/2以后,，我們在氧化鋯增韌方面也不斷努力著,，在其中也做了很多的工作。Y-ZrO₂的增韌主要是利用四方氧化鋯到單相氧化鋯的馬氏體相變,，這個增韌機(jī)理大家已經(jīng)熟知了,。但是實際怎么增韌是難點，利用相變增韌的話,，對于相變量而言,，比如說，3Y的相變量很低,，2.5Y是有一定相變量,，到2Y，這個相變量很大,，這種材料在實際應(yīng)用中可能會有問題,。若用2Y來做陶瓷手表或者手機(jī)背板，可能使用一段時間會出現(xiàn)暗裂,，這是因為它的相變量很大,，在下游應(yīng)用中產(chǎn)品的使用壽命會受到影響，所以一般都不用2Y,。

在這種情況下,，我們是用把顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的方法來進(jìn)行增韌,。因為Y-ZrO₂主要是利用四方氧化鋯增韌，那么我們把顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,，里面有尺寸很大的立方氧化鋯,，還有添加氧化鋁增韌。利用氧化鋁的高彈模量對裂紋起到阻止或者偏轉(zhuǎn)的作用,；利用立方氧化鋯可以穿晶斷裂,，一般四方氧化鋯除了相變，它是沿晶斷裂的,�,？偟膩碇v，就是利用多種增韌機(jī)理將氧化鋯的顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,，目前來看,，我們利用這種方法可以將氧化鋯斷裂韌性增加到9.7，比之前3Y- ZrO₂的測試結(jié)果增加了大概90%,。另外,，添加多種穩(wěn)定劑來增韌也是一種方法，可以添加氧化鈰,、氧化鎂等可以和釔元素共同作用,。但是總的來講，想要將Y-ZrO₂基結(jié)構(gòu)陶瓷的斷裂韌性提高到非常高的水平,，比如說接近鑄鐵的水平,，還是有相當(dāng)大的難度的，可以在此基礎(chǔ)上有所改善,，但是陶瓷本身就是一個脆性材料,。當(dāng)時，我也評價了用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂韌性,，其值可以到大于10MPa·m^1/2,，但是離金屬還是有很大的差距。

中國粉體網(wǎng)：饒教授,，你認(rèn)為國內(nèi)陶瓷斷裂韌性評價方法現(xiàn)狀發(fā)展如何？

饒教授：確實在這10年來,，我們投入了很多人力物力,，包括投入了三個博士，七個碩士在做實驗評價,、計算模擬,。在斷裂韌性評價方面，無論是單一陶瓷材料還是復(fù)合陶瓷材料,，我們在這方面基本已經(jīng)做的差不多了,。所以在這方面,，我可以很欣慰的說，在陶瓷材料斷裂韌性評價方面我們處于國際領(lǐng)先水平,，同時也得到了國內(nèi)外同行的反饋和引用,。目前，雖然我們研發(fā)了利用飛秒激光改良后的SEVNB法評價陶瓷的斷裂韌性值,，實際上材料的斷裂韌性與裂紋是沒有什么關(guān)系的,，但是與其顯微結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，所以,，目前我們在從顯微結(jié)構(gòu),、晶粒尺寸、添加第二相來做進(jìn)一步的細(xì)化工作,。當(dāng)然,，這方面我們也做差不多了，所以在整個陶瓷斷裂韌性評價方面,，我們的團(tuán)隊也付出了很大的努力,，在這一塊再發(fā)展也很難。那么,，下一步我們將會聚焦在可靠評價陶瓷斷裂韌性的基礎(chǔ)上,，如何增韌？那么增韌的結(jié)果就反映在下游應(yīng)用,，可以擴(kuò)大陶瓷應(yīng)用范圍,。但是在這方面來講，真的有很大的難度,，因為陶瓷本身就是一個脆性材料,，可能會有一定程度的提高，但是要明顯的提高,，我也在努力,，也希望國內(nèi)外陶瓷人大家一起努力，我想目標(biāo)不是很高,，如果哪天能夠把Y-ZrO₂的斷裂韌性值能達(dá)到像鑄鐵的斷裂韌性（~20 MPa·m^1/2）的話,，那也是相當(dāng)不容易了。

中國粉體網(wǎng)：饒教授,，您所研發(fā)的應(yīng)用飛秒激光改良的SEVNB法測量陶瓷的斷裂韌性,，這種設(shè)備價格昂貴，那么您認(rèn)為目前方法除了在實驗研究之外有推廣的可能性嗎,？

饒教授：在報告中,，我們給出了不少擬合公式，研究機(jī)構(gòu)或者生產(chǎn)企業(yè)采用SENB法測的值可以直接套用公式來獲得氧化鋯基結(jié)構(gòu)陶瓷的真實值,。若一個企業(yè)單獨買一臺飛秒激光儀器那是不現(xiàn)實的,，而我們的方向就是在準(zhǔn)確評價的基礎(chǔ)上模擬出系列的公式,。當(dāng)然，目前也有一些企業(yè)委托我們幫助他們做一些陶瓷材料的斷裂韌性的評價,，因為做材料的斷裂韌性評價需要這個設(shè)備,，也更需要這個技術(shù)，這些都是息息相關(guān)的,。所以,，在這方面我也很樂意幫助，也很高興能為這個行業(yè)做出自己的一份努力,。

中國粉體網(wǎng)：好的,，感謝饒教授今天接受我們的采訪，謝謝,！

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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