先進(jìn)陶瓷擁有高硬度,、耐高溫,、耐腐蝕、耐磨損和低密度等優(yōu)異性能,，在高溫環(huán)境中能保持良好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天,、機(jī)械、化工等領(lǐng)域,。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，對(duì)先進(jìn)陶瓷材料的需求不斷增加,。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi),，高端陶瓷粉體、電子陶瓷,、生物陶瓷、節(jié)能環(huán)保陶瓷和航空航天用陶瓷等方向?qū)⒈３挚焖僭鲩L(zhǎng)。而提高陶瓷材料的斷裂韌性是擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的前提,。
先進(jìn)陶瓷為何“玻璃心”？
陶瓷應(yīng)用雖廣泛,，但它擁有一顆易碎的“玻璃心”。
眾所周知,，金屬材料很容易產(chǎn)生塑性變形，原因是金屬鍵沒(méi)有方向性,。而陶瓷材料主要由非金屬原子組成，依靠離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合在一起,，這些化學(xué)鍵強(qiáng)度很高，賦予了陶瓷高硬度,、高強(qiáng)度和耐高溫等特性,。在陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)中共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性,，而離子鍵的同號(hào)離子接近時(shí)斥力很大，這就導(dǎo)致在受力作用下難以發(fā)生顯著的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑性變形以松弛應(yīng)力,；在顯微結(jié)構(gòu)方面其脆性根源在于存在裂紋，且易于導(dǎo)致高度的裂紋集中,，裂紋一旦形成，便會(huì)像多米諾骨牌一樣在陶瓷內(nèi)部迅速擴(kuò)展,，直至整個(gè)物體破碎。
如何拯救先進(jìn)陶瓷這顆“玻璃心”,？
陶瓷材料增韌一直是該領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題和前沿技術(shù)，也是難度最大,、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。為解決這顆易碎的“玻璃心”,，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究人員先后提出了多種增韌技術(shù),。
1.顆粒彌散增韌
顆粒彌散增韌陶瓷是將第二相顆粒引入到陶瓷基體中，使其彌散分布起到增韌陶瓷基體的方法,。根據(jù)增韌機(jī)理的不同，可以分為非相變第二相顆粒增韌,、延性顆粒增韌和納米顆粒增韌等。
首先,，非相變第二相顆粒增韌主要依靠基體和第二相顆粒之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不匹配,，目前使用最多的是碳化物和氮化物等顆粒,。
其次,，延性顆粒增韌在陶瓷基體中添加的一般為延性金屬顆粒，例如Ni,、Cu、Cr,、Al,、Fe等,。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中遇到金屬顆粒將發(fā)生偏轉(zhuǎn)、釘扎,、分叉等現(xiàn)象，阻礙了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,，使陶瓷材料的斷裂韌性增大。
納米技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了材料性能的改善,，納米顆粒的加入提高了陶瓷材料的強(qiáng)度和斷裂韌性。納米粉顆粒的表面效應(yīng)使其具有較高的表面活性,。這一特點(diǎn)使納米粉與基體粉之間很容易結(jié)合,，燒結(jié)時(shí)很容易致密化,，而且使燒結(jié)溫度降低,，從而提高了復(fù)合粉體的燒結(jié)活性,，降低了燒結(jié)溫度，并提高了材料的力學(xué)性能,。
2.相變?cè)鲰g
相變?cè)鲰g的研究熱點(diǎn)主要集中于ZrO2相變，ZrO2相在不同溫度下存在三種典型的晶體結(jié)構(gòu)：立方相(c-ZrO2),、四方相(t-ZrO2)以及單斜相(m-ZrO2)。當(dāng)它從高溫冷卻到室溫時(shí),，會(huì)發(fā)生立方相到四方相再到單斜相的轉(zhuǎn)變(c→t→m)，其中四方相到單斜相的轉(zhuǎn)變(t→m)往往伴隨著體積膨脹,。在陶瓷材料承受載荷時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生了t-m相變,，相變產(chǎn)生的體積效應(yīng)和形狀效應(yīng)吸收了大量斷裂能,，導(dǎo)致復(fù)合材料的斷裂韌性大幅提升,。
3.晶須或纖維增韌
高彈性模量的晶須或纖維可以通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)、分叉,、橋連以及纖維的拔出等多種增韌機(jī)理對(duì)陶瓷材料進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)，效果顯著,。晶須或纖維的引入改變了陶瓷材料的斷裂行為，由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴嘈詳嗔�,。為了達(dá)到增韌的目的,，首先晶須或纖維與基體材料要滿足兩者的物理,、化學(xué)相容性匹配；其次,，晶須或纖維的含量存在臨界含量和最佳含量。另外,，研究表明晶須或纖維的強(qiáng)度和彈性模量也可以影響材料的增韌效果,，提高強(qiáng)度,、降低彈性模量均有利于提高陶瓷材料的斷裂韌性。目前常用的晶須包括SiC晶須,、Si3N4晶須等,；常用的增強(qiáng)纖維有SiC纖維、Si3N4纖維,、碳纖維等,。晶須或纖維的引入方法包括外加法和原位生長(zhǎng)法,。
晶須或纖維的增韌機(jī)理
4.自增韌技術(shù)
自增韌技術(shù)主要是在陶瓷基體中引入第二相材料，通過(guò)控制工藝參數(shù),，在制備過(guò)程中形成類(lèi)似于晶須的棒狀晶粒使陶瓷基體的斷裂韌性增加的一種方法。自增韌技術(shù)的增韌機(jī)理主要包括自生增強(qiáng)體的拔出和裂紋的偏轉(zhuǎn),、橋連機(jī)制，避免了陶瓷基體與增韌相不相容,、增韌相分布不均勻等問(wèn)題,。自增韌陶瓷主要包括Si3N4和Sialon等,。
5.復(fù)合增韌
復(fù)合增韌是一種將多種增韌技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)一步提高材料斷裂韌性的方法,，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。常見(jiàn)的多元協(xié)同增韌方法有：顆粒/晶須,、顆粒/相變,、相變/晶須、石墨烯（碳納米管）/顆粒（或相變,、晶須）等。
2024年7月25日,，中國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于借用金屬位錯(cuò)提高陶瓷延展性的研究成果，該技術(shù)將陶瓷在室溫下的拉伸延展變成可能,。
王金淑教授聯(lián)合北京科技大學(xué)陳克新教授以及香港大學(xué)黃明欣教授，首創(chuàng)性地提出了一種“借位錯(cuò)”策略,，即通過(guò)構(gòu)建金屬-陶瓷有序鍵合界面,，成功實(shí)現(xiàn)了金屬和陶瓷之間位錯(cuò)的傳輸（借位錯(cuò)）,，克服了陶瓷自身位錯(cuò)難以形成的難點(diǎn)。該項(xiàng)研究成果為世界上首次實(shí)現(xiàn)陶瓷的室溫拉伸塑性,，陶瓷拉伸延伸率可達(dá)39.9%，強(qiáng)度約為2.3 GPa,。
將金屬中的“位錯(cuò)”機(jī)制引入陶瓷材料，以增強(qiáng)其韌性,，這一創(chuàng)舉不僅是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)里程碑式的飛躍,，更是人類(lèi)不懈追求科學(xué)邊界,、勇于跨越“不可為”之境的生動(dòng)體現(xiàn)。
陶瓷韌性的提升,，解決應(yīng)用挑戰(zhàn)
1.航空航空
陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中可替代高溫合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)材料之首選,，而連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）彌補(bǔ)了陶瓷材料的短板,。CMCs由陶瓷纖維和陶瓷基體組成，具有密度低,、硬度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異及化學(xué)耐受性強(qiáng)等特點(diǎn),，其密度僅為高溫合金的1/3,，強(qiáng)度為其2倍,，能夠承受1000℃～1500℃的長(zhǎng)時(shí)間高溫使役（比高溫合金高200℃～240℃），且結(jié)構(gòu)耐久性更好,。同時(shí)，CMCs固有的斷裂韌性和損傷容限高,，適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，能在較高的渦輪進(jìn)口溫度和較少的冷卻空氣（大于1300℃）下運(yùn)行,，發(fā)動(dòng)機(jī)效率和耗油率明顯改善。
現(xiàn)役F414發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管CMCs封嚴(yán)片
2.電子器件與半導(dǎo)體
在電子與半導(dǎo)體行業(yè)中,，陶瓷材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),，被廣泛應(yīng)用于制造封裝材料,、基板等關(guān)鍵部件,。傳統(tǒng)陶瓷封裝材料在受到熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力時(shí)，容易發(fā)生脆性斷裂,，導(dǎo)致封裝失效，高韌性陶瓷能有效抵抗這些應(yīng)力的影響,，減少封裝失效的風(fēng)險(xiǎn),。
DBC ZTA陶瓷覆銅基板,，來(lái)源：賀利氏
其中,，ZTA基板通過(guò)摻雜鋯的氧化鋁陶瓷提高了可靠性,，耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好,，具有高斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度,、高耐溫能力,、高載流容量、高絕緣電壓,、高熱容與熱擴(kuò)散能力以及與硅相近的熱膨脹系數(shù)，使其成為DBC陶瓷覆銅基板和LED線路板急需的高性能陶瓷材質(zhì)電路載體,。
參考來(lái)源：
蘭德慧等：陶瓷材料增韌研究進(jìn)展
張?jiān)铝值龋貉趸X陶瓷增韌的研究進(jìn)展
豆高雅：自增韌氮化硅陶瓷的制備與性能研究
科普中國(guó)：中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)陶瓷增韌增塑，讓陶瓷變得可拉伸
無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)：陶瓷材料｜陶瓷增韌的原理,、方法及應(yīng)用
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
