先進陶瓷擁有高硬度、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，對先進陶瓷材料的需求不斷增加。預(yù)計未來幾年內(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。而提高陶瓷材料的斷裂韌性是擴大其應(yīng)用范圍的前提。
先進陶瓷為何“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，依靠離子鍵和共價鍵結(jié)合在一起，這些化學(xué)鍵強度很高，賦予了陶瓷高硬度、高強度和耐高溫等特性。在陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)中共價鍵有明顯的方向性和飽和性，而離子鍵的同號離子接近時斥力很大，這就導(dǎo)致在受力作用下難以發(fā)生顯著的位錯運動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，便會像多米諾骨牌一樣在陶瓷內(nèi)部迅速擴展，直至整個物體破碎。
如何拯救先進陶瓷這顆“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。裂紋擴展過程中遇到金屬顆粒將發(fā)生偏轉(zhuǎn)、釘扎、分叉等現(xiàn)象，阻礙了裂紋的進一步擴展，使陶瓷材料的斷裂韌性增大。
納米技術(shù)的發(fā)展促進了材料性能的改善，納米顆粒的加入提高了陶瓷材料的強度和斷裂韌性。納米粉顆粒的表面效應(yīng)使其具有較高的表面活性。這一特點使納米粉與基體粉之間很容易結(jié)合，燒結(jié)時很容易致密化，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.相變增韌
相變增韌的研究熱點主要集中于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，會發(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，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裂紋偏轉(zhuǎn)、分叉、橋連以及纖維的拔出等多種增韌機理對陶瓷材料進行增韌補強，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度和彈性模量也可以影響材料的增韌效果，提高強度、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法。
晶須或纖維的增韌機理
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，通過控制工藝參數(shù)，在制備過程中形成類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)的增韌機理主要包括自生增強體的拔出和裂紋的偏轉(zhuǎn)、橋連機制，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)合起來進一步提高材料斷裂韌性的方法，近年來受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。常見的多元協(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，中國科學(xué)家在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了一項關(guān)于借用金屬位錯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”策略，即通過構(gòu)建金屬-陶瓷有序鍵合界面，成功實現(xiàn)了金屬和陶瓷之間位錯的傳輸（借位錯），克服了陶瓷自身位錯難以形成的難點。該項研究成果為世界上首次實現(xiàn)陶瓷的室溫拉伸塑性，陶瓷拉伸延伸率可達39.9%，強度約為2.3 GPa。
將金屬中的“位錯”機制引入陶瓷材料，以增強其韌性，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，更是人類不懈追求科學(xué)邊界、勇于跨越“不可為”之境的生動體現(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)計在21世紀中可替代高溫合金的發(fā)動機熱端結(jié)構(gòu)材料之首選，而連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）彌補了陶瓷材料的短板。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)耐受性強等特點，其密度僅為高溫合金的1/3，強度為其2倍，能夠承受1000℃～1500℃的長時間高溫使役（比高溫合金高200℃～240℃），且結(jié)構(gòu)耐久性更好。同時，CMCs固有的斷裂韌性和損傷容限高，適用于燃氣渦輪發(fā)動機熱端部件，能在較高的渦輪進口溫度和較少的冷卻空氣（大于1300℃）下運行，發(fā)動機效率和耗油率明顯改善。
現(xiàn)役F414發(fā)動機尾噴管CMCs封嚴片
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)力或機械應(yīng)力時，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。
DBC ZTA陶瓷覆銅基板，來源：賀利氏
其中，ZTA基板通過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度、高耐溫能力、高載流容量、高絕緣電壓、高熱容與熱擴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。
參考來源：
蘭德慧等：陶瓷材料增韌研究進展
張月林等：氧化鋁陶瓷增韌的研究進展
豆高雅：自增韌氮化硅陶瓷的制備與性能研究
科普中國：中國科學(xué)家實現(xiàn)陶瓷增韌增塑，讓陶瓷變得可拉伸
無機非金屬材料科學(xué)：陶瓷材料｜陶瓷增韌的原理、方法及應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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