伊利石如何讓陶瓷如此的“韌性” 承德人和礦業(yè)
伊利石是多能的環(huán)保材料，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，跟主要的是可以應(yīng)用到陶瓷行業(yè)，那么伊利石在陶瓷行業(yè)優(yōu)勢(shì)怎么創(chuàng)造出優(yōu)質(zhì)陶瓷的呢？
眾所周知，陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。但是陶瓷材料有一個(gè)致命弱點(diǎn)！那就是太脆了！這限制了陶瓷優(yōu)良性能的發(fā)揮，業(yè)限制了其實(shí)際的應(yīng)用，因此陶瓷的增韌技術(shù)，一直是陶瓷行業(yè)研究的熱點(diǎn)。
1、相變?cè)鲰g
關(guān)于相變?cè)鲰g的研究主要是圍繞ZrO2的相變特性展開(kāi)的，是通過(guò)控制燒結(jié)工藝使內(nèi)部的微觀組織產(chǎn)生增韌相，消耗裂紋擴(kuò)展所需能量的同時(shí)造成相變體積膨脹促使其它裂紋閉合，是一種自增韌過(guò)程。以ZrO2和HfO2為例，隨溫度變化會(huì)發(fā)生以下同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：
圖2相變?cè)鲰g原理圖
在實(shí)際材料中究竟何種增韌機(jī)制起主導(dǎo)作用，在很大程度上取決于四方相向單斜相馬氏體相變的程度高低及相變?cè)诓牧现邪l(fā)生的部位。至今為止,利用部分穩(wěn)定氧化鋯的相變?cè)鲰g是最為成功的增韌方法之一，但是由于許多脆性材料并不一定具備這種有利于增韌的相變，并且還受溫度的影響較大，所以這種增韌方法還不能得到普遍應(yīng)用。
2、微裂紋增韌
單斜相ZrO2增韌Al2O3陶瓷和TiB2增韌SiC陶瓷是典型的微裂紋增韌，微裂紋的形成將起到分散裂紋尖端能量的作用，增加了擴(kuò)展過(guò)程中的表面能，從而使裂紋快速擴(kuò)展受到阻礙，增加材料韌性。這就是微裂紋增韌，其原理如圖2所示。
圖3 ZTA微裂紋模型
誘發(fā)微裂紋增韌主要有三種方法：1、完成燒結(jié)后，溫度降低過(guò)程中，自然產(chǎn)生；2、燒結(jié)溫度過(guò)高，晶粒異常長(zhǎng)大，產(chǎn)生微裂紋；3、材料受到外界應(yīng)力作用。然而微裂紋增韌只增加了陶瓷集體的韌性，而對(duì)其強(qiáng)度是有很大的影響的，因此實(shí)際操作中，應(yīng)適當(dāng)控制微裂紋的產(chǎn)生。
3、晶須或纖維增韌
在陶瓷基體中摻入高強(qiáng)度高韌性的晶須/纖維，可使宏觀裂紋在穿過(guò)晶須/纖維時(shí)受阻，從而提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。其增韌機(jī)理為：裂紋偏轉(zhuǎn)、陶瓷基體中晶須/纖維的拔出和橋連。
圖4 ZrO2+SiCw復(fù)合材料晶須韌化機(jī)制的SEM
(a) 裂紋偏轉(zhuǎn);(b)晶須橋接;(c)晶須橋接與拔出
圖5晶須增韌機(jī)制示意圖
晶須的強(qiáng)化作用和增韌作用主要是由晶須與基體形成的界面性質(zhì)決定的。為了獲得較好的強(qiáng)化效果,要求界面結(jié)合力盡可能大。但如果界面結(jié)合力太強(qiáng)(完全粘結(jié)),則仍表現(xiàn)出陶瓷基體的脆性;結(jié)合力太弱,則強(qiáng)度降低。僅當(dāng)結(jié)合力適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,才能保證陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能配合。因此,如何協(xié)調(diào)強(qiáng)化機(jī)制與韌化機(jī)制的關(guān)系,還需做大量的工作。
4、裂紋增韌
裂紋增韌可涵蓋多種復(fù)雜增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，例如微裂紋、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋彎曲、裂紋分岔、裂紋橋聯(lián)和裂紋釘扎等多種形式，增韌的根本原因是裂紋擴(kuò)展的路徑呈現(xiàn)鋸齒狀，表面積增多，應(yīng)力場(chǎng)的分布發(fā)生變化。而納米復(fù)合材料中微裂紋尺寸的減小是材料強(qiáng)度提高的另一個(gè)原因。
圖6 裂紋偏轉(zhuǎn)和僑聯(lián)示意圖
復(fù)合材料中存在的微裂紋也會(huì)導(dǎo)致主裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加復(fù)合材料的韌性，其原理如（圖3，5）所示；裂紋橋聯(lián)可能發(fā)生穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)裂紋繞過(guò)橋聯(lián)單元沿晶發(fā)展及偏轉(zhuǎn)的情況，其原理如（圖5）所示。
5、顆粒增韌
這種增韌方式是通過(guò)第二相顆粒的彌散或者顆粒的移動(dòng)，產(chǎn)生一定塑變、沿晶界面滑移帶來(lái)蠕變、形成裂紋尖端屏蔽、主裂紋周圍微開(kāi)裂或裂紋橋，以及由于第二相與基體相熱膨脹系數(shù)及彈性模量的失配導(dǎo)致的殘余熱應(yīng)力與擴(kuò)散裂紋尖端應(yīng)力交互作用，使得裂紋產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、分岔、橋聯(lián)或者釘扎等效果，達(dá)到阻止裂紋擴(kuò)展、提高斷裂韌性的目的。
6、復(fù)合韌化
實(shí)際上，陶瓷材料中的增韌機(jī)制通常不止一種，而是以上幾種機(jī)制的疊加，即為協(xié)同韌化。如在含有ZrO2相變韌化的陶瓷材料中，上述幾種韌化機(jī)理常常相伴而生，即所謂復(fù)合韌化機(jī)理。這是由于任何陶瓷材料的晶粒尺寸都不是絕對(duì)均勻單一的，而是有一個(gè)尺寸分布范圍。對(duì)于晶粒尺寸分布在某一范圍的ZrO2粒子來(lái)說(shuō)，不同尺寸的晶粒將有其不同的韌化作用。
圖7 不同尺寸晶粒的韌化機(jī)理
各種增韌機(jī)理之間可以相互作用，但并非任意的幾個(gè)增韌機(jī)理的疊加都會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，協(xié)同增韌效果也不是幾種增韌機(jī)理的簡(jiǎn)單疊加。迄今為止，協(xié)同增韌中研究較多的有相變?cè)鲰g與晶須補(bǔ)強(qiáng)相變?cè)鲰g與顆粒彌散、晶須補(bǔ)強(qiáng)與顆粒彌散、顆粒與顆粒彌散等幾種。
結(jié)語(yǔ)：陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力，在斷裂過(guò)程中除了產(chǎn)生新的斷裂表面需要吸收表面能以外，幾乎沒(méi)有其他吸收能量的機(jī)制，這就是陶瓷脆性的本質(zhì)原因。而通過(guò)多種途徑的增韌補(bǔ)強(qiáng)將其韌性提高到接近鑄鐵或高強(qiáng)度鋁合金的水平還是可能的，加上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，在伊利石和先進(jìn)陶瓷工業(yè)的應(yīng)用將會(huì)有一個(gè)新的飛躍。
