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1、第42卷第6期复旦学报(自然科学版)Vol.42No.62003年12月JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Dec.2003文章编号:042727104(2003)0620822206X关于陶瓷材料的脆性问题郭景坤(中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室,上海200050)摘要:陶瓷材料众多优点是其他材料所不能比拟的,但是它的致命弱点是它的脆性.陶瓷材料的脆性在很大程度上影响了材料性能的可靠性和一致性.研究陶瓷材料的脆性问题,并提出改善它的有效途径就成为陶瓷材料研究工作者所特别关心的.半个世
2、纪的研究,从陶瓷材料脆性的基础认识研究到有效改善途径的实施,首先是材料中弱界面的建立,诸如纤维补强陶瓷基复合材料、复相陶瓷材料、自增韧陶瓷材料、叠层复合材料、陶瓷材料的晶界应力设计.还有氧化锆增韧陶瓷材料、功能梯度材料、纳米陶瓷材料等都是行之有效的.在此基础上又提出多相材料,同时也研究了多种途径强化与增韧的协同效应.总之,陶瓷材料的脆性问题是可以采用不同的途径在很大程度上使之改善的,但是否可以解决陶瓷材料的脆性问题,尚不能作定论.材料的研究方向向多功能发展,这是材料发展的总趋势.关键词:陶瓷;脆性;复合材料;多相材料+中图分类号:TQ174,758文献标识
3、码:A陶瓷材料是材料家属中最古老的一个成员.它具有很多优异的性能,诸如它的结构材料能耐高温、耐腐蚀、耐摩擦磨损,它的功能材料具有独特的电学性能、磁学性能、铁电压电性能等等.但是它们都有一个共同的缺陷,那就是它的脆性.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,再加上陶瓷工艺所很难避免的在材料表面所构成的微缺陷的存在,它们都有可能构成裂纹源.应力就会在这些裂纹的尖端集中.在陶瓷材料中又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.所谓新的自由能就是裂纹尖端的扩展所形成的新的表面所吸收的能量
4、.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.1陶瓷材料的脆性的解决途径从上面的说明已经知道陶瓷材料的脆性是物质的化学键合性质和它的显微结构所决定的.因此,要解决它并不是一件容易的事情.但是可以通过一定的途径来减缓它对材料的损害,以改善陶瓷材料的性能.这习惯地称之为改善陶瓷材料的脆性.1.1陶瓷材料中弱界面系统的建立既然在陶瓷材料中没有可以吸收外来能量的机构存在,是否有可能在陶瓷材料中人为地造就一些弱的界面结构,而使裂纹的扩展可以通过它们的解离来吸收外来能量,而不至于损害整个材料.如第二相的引入,由于两相间在物理上的不匹配,而形成弱的界面.这个思路
5、应该是很好的,但是否可以实现呢?实践证明是可行的,而且是有成效的.[1](1)纤维补强陶瓷基复合材料X收稿日期:2003204201基金项目:国家重点基础研究计划“(973”)资助项目(G200006720422);国家自然科学基金会对外合作重点资助项目(50220160657);上海市科技发展基金项目(025nm024)作者简介:郭景坤(1933—),男,中国科学院院士;E2mail:jkguo@sunm.shcnc.ac.cn.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrigh
6、tsreserved.http://www.cnki.net第6期郭景坤:关于陶瓷材料的脆性问题823用纤维(或晶须)以一定的方式加入到陶瓷的基体中去,一方面可以使高强度的纤维(晶须)来分担外加的负荷,另一方面可以利用纤维(或晶须)与陶瓷基体的弱的界面结合(这点是可以做到的)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.[2]用碳纤维补强石英基复合材料(简称碳/石英)是最有成效的一个实例.当在石英的基体中加入25%(体积分数)的碳纤维,组成的复合材料,其强度和韧性都有数量级的增加(按纤维在复合材料中的排布方向),因而又表现出极为优异的抗机械冲
7、击和热冲击性能.它已成功地用于我国的空间技术中,至今[3]已逾三十年而仍然未衰.连续碳纤维增韧SiC复合材料,除有高的强度外,还具有极高的断裂韧性和断1/2-2裂功,它们分别为459MPa、20.0MPa·m和25170J·m,在空间技术上是极为有用的材料.最近研究以纳米碳管为补强剂的陶瓷基复合材料,它除了可以有预料中的较高的力学性能外,在热学与电学性能上也有诱人的表现.[4,5](2)复相陶瓷材料两种不同的材料在一起,由于它们热膨胀系数和弹性模量的不同而必然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.近期的很多研究结果表明
8、,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,
