陶瓷材料相转变增韧的研究进展

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1、陶瓷材料相转变增韧的研究进展宋顺林，王志宏，王汝娜，高旭东（北京工业大学材料科学与工程学院，北京100022）摘要介绍了几种相转变韧化机制，主要包括ZrO2相变增韧、铁电/压电性畴转变增韧、铁弹性畴转变增韧的增韧机理和研究进展。提出一种新的相转变增韧机制——铁磁性畴转变增韧机制，即利用铁磁相的磁畴转变或压磁效应来实现能量耗散，从而达到增韧效果，探讨了其可能性。关键词陶瓷材料畴转变增韧断裂韧性ProgressinResearchonTransformationTougheningofCeramicMaterialsSONGShunlin

2、,WANGZhihong,WANGRuna,GAOXudong(CollegeofMaterialsScience&Engineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022)AbstractInthispaper,thecurrentstudyofceramicstoughenedbytransformationisbrieflyreviewed,includingZrO2transformationtoughening,ferroelectric/piezoelectricdom

3、ainswitchingandferroelasticdomainswitching.Anewmechanismforthetougheningofceramicsisproposed,whichmeansthatenergydissipationisachievedbytheferromagneticdomainswitchingorpiezomagneticeffect,andtheprobabilityofthistougheningmechanismisdiscussedinthearticle.Keywordsceramic

4、materialsdomainswitchingtougheningfracturetoughness0引言陶瓷材料具有很多优异的性能，诸如结构陶瓷具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻等优点，功能材料具有独特的电学性能、磁学性能、铁电压电性能等。但是它们都有一个共同的缺陷，那就是脆性。提高陶瓷材料韧性的途径有多种，通常在改善和提高韧性的过程中，材料工作者们向陶瓷基体内添加各种陶瓷颗粒、纤维及晶须或它们的复合物，制备出各种陶瓷及复合材料。其增韧机理主要包括相转变增韧、纤维和晶须增韧、颗粒弥散增韧、自增韧等，其中相转变韧化机制主要

5、有ZrO2相变增韧、铁电/压电性畴转变增韧、铁弹性畴转变增韧。1ZrO2相变增韧机制在部分稳定氧化锆(PSZ)、多晶四方相氧化锆(TZP)及其他一些ZrO2增韧陶瓷中，由于稳定剂Y2O3、CeO2和MgO等的引入，以及基体对t-ZrO2的束缚作用，使得瓷体中部分t-ZrO26在烧成冷却过程中以亚稳态保存下来[1]。这些亚稳t-ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生相变，产生体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍裂纹扩展，起到增韧的作用。这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。应力诱导相变增韧的基本出发点是“相变伴随的体积膨胀产生屏蔽

6、裂纹扩张过程或残余应力增韧”。关于ZrO2相变增韧的研究主要是围绕着ZrO2的相变特性展开的。ZrO2在室温下为单斜晶系，当温度达到1170℃时，由单斜晶系转化为亚稳态的四方晶型，当烧结致密后冷却时，ZrO2颗粒仍以四方相存在，它有一种力图膨胀而变成单斜相的自发倾向。当裂纹扩展进入含有t-ZrO2晶粒的区域时，t-ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下，转变成m-ZrO2，从而耗散部分能量，同时引起3％～5％的体积膨胀，阻碍裂纹扩展[1,2]。伴随体积膨胀产生的微裂纹将起到分散基体中主裂纹尖端能量的作用，并导致主裂纹扩展路径发生扭曲和分叉，

7、从而提高断裂能，引起陶瓷断裂韧性的增加[3]。Al2O3/ZrO2是典型相变增韧陶瓷[4,5]，Basu等学者[6]利用真空热压烧结法在1450℃的条件下，对Y-TZP/Al2O3复相陶瓷烧结1h，结果发现其断裂韧性可达10MPa·m1/2。还有一些陶瓷材料也可以通过加入ZrO2来实现增韧，YongliLi等人[7]通过热压烧结成功制备出3Y-ZrO2/BN复合陶瓷材料，其抗弯强度和断裂韧性分别可达800MPa和8MPa·m1/2以上。XigengMiao等人[8]利用热压烧结制备出SiC/Y-TZP复相陶瓷材料，其断裂韧性可达8.3

8、MPa·m1/2以上。ZrO2相变增韧的影响因素很多，如ZrO2含量及粒径、晶粒尺寸、其他添加剂种类和数量、晶粒取向等。其缺点是增韧效果随温度的升高而急剧下降[9,10]，因此一般单纯依靠相变增韧来提高韧性的陶瓷材料不能