【原创】如何克服陶瓷材料的脆性？

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陶瓷“脆”的原因

陶瓷材料都是由离子键或共价键所组成的多晶结构，它缺乏能促使材料变形的滑移系统。材料一旦受到外加的负荷，加上陶瓷工艺在材料表面构成的微缺陷的存在，都有可能构成裂纹源，应力就会在这些裂纹的尖端集中。陶瓷材料中没有其他可以消耗外来能量的系统，只有以新的自由能予以交换。这样的结果就造成裂纹的快速扩展而表现为所谓脆性断裂。

简单来说，陶瓷“脆”的原因主要有两个：

1.陶器的烧成温度较低，通常为800℃～1000℃，因此气孔率比较高。在陶器碎片的断面上，不难看见许多小孔洞，而且组成陶器的颗粒也比较粗大。就拿瓷器来说，用肉眼可能看不出有什么细微缺陷，但果通过显微镜观察，在瓷器碎片的断面上，就可以看到许多细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕，它们都可能成为陶瓷裂纹的发源地。 

2.陶瓷属于脆性材料，不具有塑性变形能力，一旦出现裂纹，就只好打破砂锅“纹”到底了。在热冲击的条件下，由于陶瓷的导热性较差，热膨胀系数大，热应力由此增加，因此，裂纹的扩展速度会进一步加剧。这就解释了一个现象：在日常生活中，如果我们用砂锅炖煮食物，只能用文火慢慢加热，如果一开始就用猛火急烧，就会出现砂锅炸裂事故。即使是烧好以后，也不能用水急冷。

如何克服陶瓷脆性

通过对金属热处理和材料科学的认识，我们知道金属的性能与金属中化学成分、缺陷以及采用的热处理工艺有很大的关系。因此，陶瓷的脆性问题可以从以下几个方面入手。

1. 自增韧陶瓷材料

从原材料方面，在氧化锆陶瓷的原料中添加少量的氧化钇、氧化镁、氧化钙等粉末。经高温烧制成氧化锆陶瓷后，其中的氧化锆便生成两种晶体：立方晶体和四方晶体。当陶瓷受到外力作用时，四方晶体便变成一种单斜晶体，体积迅速“膨胀”。由于晶体的体积急速增大，进而可阻止陶瓷中原先存在的细微裂纹的扩展。这样，陶瓷就不会破裂了。 

2. 建立陶瓷材料中弱界面系统

既然在陶瓷材料中没有可以吸收外来能量的机构存在，在陶瓷材料中造就弱界面结构，就可以使裂纹的扩展可通过它们的解离来吸收外来能量，而不至于损害整个材料。

纤维补强陶瓷基复合材料

把纤维(或晶须)以一定的方式加入到陶瓷基体中去，一方面可以使高强度的纤维(晶须)分担外加的负荷，另一方面可以利用纤维(或晶须)与陶瓷基体的弱界面结合来造就对外来能量的吸收系统，从而达到改善陶瓷材料脆性的目的。

复相陶瓷材料

两种不同的材料在一起，由于热膨胀系数和弹性模量的不同，必然会在两个物质之间产生应力，这种在晶粒界面上所存在的应力是造就弱界面的主要根源。很多研究结果表明，若其中有一种物质是纳米级的晶粒存在于另一种物质的微米级晶粒之中（被称之为纳米-微米晶内复合），它们的强度与韧性居然有惊人地提高。

3．功能梯度材料

在制作陶瓷涂层的工艺中，为了获得较厚的涂层，或者是由于金属基体与陶瓷涂层在热学和力学性能上的较大差异，往往需要采用涂层组成的梯度变化，以求得到性能好和结合强度高的陶瓷涂层。

这种材料一面的组分是金属材料，它可以在很大程度上像金属材料那样使用，它的韧性高，可以用金属的工艺来与其他金属部件连接起来。另一面则是耐高温的陶瓷材料。这是极其巧妙的思路：它很好地避开了陶瓷脆性的弱点，满足使用上的要求。

4．纳米陶瓷材料

从材料显微结构的认识上，材料中晶粒尺寸与材料性能有直接的关系。当陶瓷材料的晶粒尺寸达到纳米的尺度，材料的超塑性行为是普遍地存在的话，陶瓷材料脆性问题的解决就有望了。但是，要使陶瓷材料的晶粒尺寸达到纳米的尺度，并不是很容易能做到的事情。

小结

陶瓷材料的脆性一直是困惑陶瓷材料研究工作者的基本问题，经过多年的研究论证，陶瓷材料的脆性在很大程度上得到改善。但是否可以解决陶瓷材料的脆性问题，尚不能作定论。材料发展的总趋势是向多功能发展，陶瓷材料更不能例外!