中國粉體網(wǎng)訊 新型陶瓷因其低密度、高硬度、高強度等優(yōu)異性能一直備受關(guān)注。但是陶瓷材料的低韌性和對裂紋敏感性，一直限制著陶瓷的應(yīng)用。近年來，由于仿生技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)生物的微觀結(jié)構(gòu)而制備的各種仿生材料應(yīng)運而生，國內(nèi)外學(xué)者通過研究自然界中具有良好抗沖擊性能的貝殼、甲殼類等生物的微觀結(jié)構(gòu)，利用仿生技術(shù)制備了具有相似界面結(jié)構(gòu)設(shè)計的層狀復(fù)合陶瓷，其微觀結(jié)構(gòu)由硬質(zhì)層與軟質(zhì)層交替疊加而成，延長了裂紋擴展路徑，顯著提高了材料的斷裂韌性與吸能，層狀陶瓷受到研究者的廣泛關(guān)注。
一、 層狀復(fù)合陶瓷增韌機理
與傳統(tǒng)陶瓷的強韌化機制不同，層狀復(fù)合陶瓷的韌化機制屬能量吸收、耗散機制，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計將減小材料力學(xué)性能對缺陷的敏感性，使之成為一種耐缺陷材料，使材料的斷裂韌性獲得較大的提高。相對于傳統(tǒng)的強韌化機制，層狀復(fù)合陶瓷設(shè)計避免了增韌效果受工作環(huán)境限制、分散均勻等問題，而且增韌效果遠遠好于傳統(tǒng)的強韌化機制，斷裂功甚至可提高2～3個數(shù)量級。其設(shè)計是在兩層高強度的基體間引入夾層來達到增韌效果，其增韌機理可以大致分為以下三類。
1、 弱夾層裂紋偏轉(zhuǎn)增韌
此設(shè)計在兩層高強度的基體間引入弱薄層，夾層的要求是既要弱，弱得足以偏轉(zhuǎn)裂紋，但又能承受一定的壓縮和剪切。含有弱界面的層狀復(fù)合材料受載荷作用后，當(dāng)裂紋達到與單相材料中的臨界裂紋相同的應(yīng)力強度時，裂紋開始擴展;當(dāng)裂紋到達一個弱結(jié)合界面時，在荷載作用下弱結(jié)合界面上就會形成微裂紋，并且微裂紋將沿著弱界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分層，增大裂紋擴展路徑，讓能量在裂紋擴展過程中釋放，達到材料增韌的效果。含弱界面層狀復(fù)合材料中裂紋擴展模式如圖1所示。
圖1含弱界面層狀復(fù)合材料中裂紋擴展模式
2 、延性夾層裂紋橋聯(lián)增韌
延性夾層可以是金屬或延性樹脂，以連續(xù)層狀形式存在。它是利用延性層的塑性變形來消耗、吸收能量，并在裂紋尾部形成橋聯(lián)而阻止裂紋擴張，從而改善材料的斷裂韌性。但這類層狀復(fù)合陶瓷也存在一定的難點:金屬的熔點變化范圍大，如何確定燒結(jié)溫度，因為金屬可能與基體材料發(fā)生反應(yīng)失去金屬塑性而不能實現(xiàn)裂紋尾部橋聯(lián)增韌。
3 、界面殘余應(yīng)力增強增韌
利用層狀復(fù)合陶瓷的基體層與夾層之間熱膨脹系數(shù)、收縮率的不匹配或者某層中相變而使層間有應(yīng)變差，引入殘余應(yīng)力場增強增韌機制。層狀陶瓷斷裂韌性提高，主要是通過表面壓應(yīng)力對壓痕裂紋區(qū)應(yīng)力強度因子的貢獻、提高斷裂相變量，強化相變增韌效果、細化晶粒等幾個方面來實現(xiàn)的。
二、層狀SiC/BN復(fù)合基體陶瓷研究進展及結(jié)果分析
據(jù)研究分析，提高層狀陶瓷材料韌性的關(guān)鍵技術(shù)包括材料基體的優(yōu)化、夾層匹配的選擇 、結(jié)構(gòu)及界面設(shè)計等。在層狀陶瓷材料體系中，目前有科研人士實驗制備出的層狀SiC/BN復(fù)合基體陶瓷，是一種弱夾層裂紋偏轉(zhuǎn)增韌陶瓷材料，其中的BN軟層可以誘導(dǎo)多重裂紋傳播路徑，消耗更多能量并增加材料斷裂功。
該實驗是采用流延法結(jié)合熱燒結(jié)法，對制備出的層狀SiC/BN陶瓷，采用Archimedes法測試層狀陶瓷的密度與氣孔率，利用X射線衍射儀對陶瓷材料的相組成進行分析，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察層狀陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。
通過熱壓燒結(jié)制備了3種結(jié)構(gòu)設(shè)計的陶瓷材料，分別為塊體陶瓷、層厚比5:1和10:1。3種結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)性能見表1，由表1結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)設(shè)計改變了材料的力學(xué)性能，BN軟質(zhì)層的引入降低了材料的彎曲強度，但在一定程度上提高了材料的斷裂韌性。因此，合適的層厚比設(shè)計是實現(xiàn)材料強韌化的關(guān)鍵
圖2為3種結(jié)構(gòu)的材料斷裂失效時的三點彎曲強度試驗。由圖2可見：塊體SiC陶瓷為典型的脆性失效，SiC/BN層狀陶瓷為非脆性失效，具有階梯式的失效模式。這說明軟硬結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計極大的提高了材料抵抗貫穿性裂紋的能力，使材料的失效模式由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴嘈允А?/p>
圖3為層狀SiC/BN陶瓷的結(jié)構(gòu)設(shè)計及裂紋擴展SEM照片。合適的界面結(jié)合強度即保證了材料不發(fā)生嚴(yán)重的層間開裂又減小了裂紋擴展應(yīng)力集中效應(yīng)，使材料不發(fā)生貫穿性的裂紋，進而降低了材料的裂紋敏感度，提高了材料的斷裂吸能及斷裂韌性。
結(jié)果表明，雖然BN軟質(zhì)層的引入提高了斷裂韌性，但在一定程度上降低了材料的抗彎強度與壓縮強度。對于5:1的SiC/BN陶瓷材料的韌性較高，強度較低，10:1的SiC/BN陶瓷材料同時具有高韌性與高強度。層狀陶瓷結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了材料的強韌化，極大的提升了材料保持結(jié)構(gòu)完整性的能力；界面聲阻抗設(shè)計提高了材料對應(yīng)力波的反射與損耗，提升了材料的動態(tài)吸能與綜合防護能力。
層狀復(fù)合陶瓷克服了陶瓷材料脆性斷裂的弱點，可顯著提高材料的斷裂韌性。其獨特的疊層結(jié)構(gòu)，給研究者在進行材料設(shè)計時帶來了較大的自由度。選擇何種材料做基體及夾層，如何控制各項因素以達到優(yōu)化設(shè)計，將是發(fā)展層狀復(fù)合陶瓷所要解決的關(guān)鍵問題之一。隨著材料工業(yè)的飛速發(fā)展，層狀陶瓷仍將是陶瓷增韌研究的熱點，必將在材料的設(shè)計制造中發(fā)揮更為巨大的作用。
參考來源：
【1】成來飛，孫孟勇，等.層狀SiC/BN陶瓷的制備及抗沖擊性能.硅酸鹽學(xué)報.2021年，49（2）.
【2】曾翔龍，宗鄭，等.SiC-BN層狀陶瓷復(fù)合材料疊層方式優(yōu)化設(shè)計.復(fù)合材料學(xué)報.2020年12月15日.
【3】仲長榮，畢松.層狀復(fù)合陶瓷的增韌與設(shè)計研究進展.耐火材料.2007年，41（4）.
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