中國(guó)粉體網(wǎng)訊  納米陶瓷是納米材料的一個(gè)分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。具有塑性強(qiáng)、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能。

在陶瓷基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合，能使材料的力學(xué)性能得到極大的改善。納米陶瓷的增韌有改善陶瓷的力學(xué)性能，提高陶瓷穩(wěn)定性等的作用。其主要增韌機(jī)理有以下幾種。

裂紋偏轉(zhuǎn)

裂紋偏轉(zhuǎn)增韌是裂紋非平面斷裂效應(yīng)的一種增韌方式。當(dāng)納米顆粒與基體間存在熱膨脹系數(shù)差異時(shí)，殘余熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致瓷體中的擴(kuò)展裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得裂紋擴(kuò)展路徑延長(zhǎng)，有利于材料韌性的提高。

裂紋偏轉(zhuǎn)方向與納米顆粒和基體間熱膨脹系數(shù)的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)基體的熱膨脹系數(shù)較大時(shí)，裂紋向納米顆粒擴(kuò)展，如果納米顆粒本身及其與基體間的結(jié)合強(qiáng)度足夠大，納米顆粒此時(shí)甚至可以對(duì)裂紋起到釘扎的作用；當(dāng)基體的熱膨脹系數(shù)較小時(shí)，擴(kuò)展裂紋趨向于沿切向繞過(guò)納米顆粒。

裂紋擴(kuò)展到達(dá)晶須時(shí)，被迫沿晶須偏轉(zhuǎn)，這意味著裂紋的前行路徑更長(zhǎng)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度減少，裂紋偏轉(zhuǎn)的角度越大，能量釋放效率就越低，增韌效果就越好，斷裂韌性就提高。如圖a、b所示。圖b表示：①裂紋和晶須相遇；②裂紋彎曲向前③在晶須前面相接④形成新的裂紋前沿并留下裂紋。

裂紋橋聯(lián)

裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尖端尾部效應(yīng)，是發(fā)生在裂紋尖端后方由補(bǔ)強(qiáng)劑連接裂紋的兩個(gè)表面并提供一個(gè)使兩個(gè)裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力，這樣導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋擴(kuò)展而增加。即裂紋繞過(guò)擴(kuò)展過(guò)程中遇上晶須時(shí)，裂紋有可能發(fā)生穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象，即裂紋繞過(guò)晶須并形成摩擦橋。

在晶須復(fù)合陶瓷基材料和粗晶Al2O3陶瓷及Si3N4中，由于晶須、Al2O3粗顆粒對(duì)裂紋表面的橋連作用，使材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的R-曲線(xiàn)效應(yīng)，由此導(dǎo)致材料韌性的顯著改善。在納米陶瓷中，由于納米顆粒尺寸很小，納米顆粒對(duì)于裂紋的橋聯(lián)作用只能發(fā)生在裂紋尖端的局部小區(qū)域。此時(shí)納米顆粒雖然不能明顯提高R-曲線(xiàn)上的韌性平臺(tái)值，但卻可以使R-曲線(xiàn)在短的裂紋擴(kuò)展上出現(xiàn)陡然上升情況。由于R-曲線(xiàn)上某點(diǎn)處切線(xiàn)的斜率代表材料此時(shí)的強(qiáng)度，納米復(fù)相陶瓷R-曲線(xiàn)在短裂紋擴(kuò)展上長(zhǎng)度上的陡然上升可以使其強(qiáng)度得到明顯提高。

在脆性陶瓷基體中加入延性粒子能夠明顯提高材料的斷裂韌性。一般情況下，延性粒子指的是金屬粒子。金屬粒子的彈性應(yīng)變使裂紋橋聯(lián)成為金屬陶瓷中最有效的增韌機(jī)制。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到陶瓷/金屬界面時(shí)，由于延性金屬顆粒和脆性基體的變形能力不同，引起裂紋局部鈍化，某些裂紋段被迫穿過(guò)粒子，而形成被拉長(zhǎng)的金屬顆粒聯(lián)橋。

拔出效應(yīng)是指當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到高強(qiáng)度晶須時(shí)，在裂紋尖端附近晶須與基體界面上存在較大的剪切應(yīng)力，該應(yīng)力極易造成晶須與界面的分離開(kāi)裂，晶須可以從基體中拔出，因界面摩擦而消耗外界載荷的能量而達(dá)到增韌的目的。

同時(shí)晶須從基體中拔出會(huì)產(chǎn)生微裂紋來(lái)吸收更多的能量。當(dāng)晶須取向與裂紋表面呈較大角度時(shí)，由基體轉(zhuǎn)向晶須的力在二者界面上產(chǎn)生的剪切力達(dá)到了基體的剪切屈服強(qiáng)度，但未達(dá)到晶須的剪切曲度強(qiáng)度時(shí)，晶須不會(huì)被剪斷而會(huì)從基體中被拔出。使用長(zhǎng)徑比高的晶須增韌聚合物基復(fù)合材料，晶須對(duì)增韌主要貢獻(xiàn)就是來(lái)源于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中晶須拔出所消耗的能量。

當(dāng)晶須與基質(zhì)的界面剪切應(yīng)力很低，而晶須的長(zhǎng)度較大（＞100μm），強(qiáng)度較高時(shí)，拔出效應(yīng)顯著。隨著界面剪切應(yīng)力增大，界面摩擦力大，拔出效應(yīng)降低，當(dāng)界面剪切應(yīng)力足夠大時(shí)，作用在晶須上的剪切強(qiáng)度可能引起晶須斷裂而無(wú)拔出效應(yīng)。

納米顆粒增韌機(jī)理

日本研究人員把納米顆粒增韌的機(jī)理歸納為：①組織的細(xì)微化作用。抑制晶粒成長(zhǎng)和減輕異常晶粒的成長(zhǎng)；②殘余應(yīng)力的產(chǎn)生使晶粒內(nèi)破壞成為主要形式；③控制彈性模量E和熱膨脹系數(shù)α等來(lái)改善強(qiáng)度和韌性等；④晶內(nèi)納米粒子使基體顆粒內(nèi)部形成次界面，并同晶界納米相一樣具有釘扎位錯(cuò)的作用。

研究人員用氧化鋁和碳化硅超細(xì)粉合成的高強(qiáng)度納米復(fù)相陶瓷在1100℃時(shí)強(qiáng)度超過(guò)1500Mpa，并認(rèn)為獲得超強(qiáng)度、超韌性結(jié)構(gòu)陶瓷的主要方法是采用微米和納米混雜的復(fù)合技術(shù)。