碳化硅要认输？

为了改善陶瓷材料的脆性，多年来许多研究者提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术，通过在陶瓷材料中添加增强相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、(W，Ti)C、WC、ZrO2、Y2O3等成分，利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强，可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。

目前较为有效的途径是利用SiC晶须增强和利用ZrO2相变增韧，至今为止，利用部分稳定氧化锆的相变增韧是最为成功的增韧方法之一，相对来说ZrO2相变增韧效果要好一些。

但是，碳化硅会服输吗?

首先，但是由于许多脆性材料并不一定具备有利于增韧的相变，并且还受温度的影响较大，所以这种ZrO2增韧方法还需要进一步研究。

最重要的一点，ZrO2在增韧氧化铝等氧化物陶瓷方面效果显著，但在增韧SiC、Si3N4等非氧化物陶瓷方面进展缓慢，难以发挥氧化锆相变增韧的作用。

反观SiC晶须，ZrO2陶瓷由于在高温下相变增韧机制失效，使得其高温力学性能严重恶化。SiCw的加入可以提高其弹性模量、硬度、高温强度和韧性，从而拓展其应用范围。目前SiCw增韧的ZrO2陶瓷可应用于1350℃以上使用的燃气涡轮转子、涡轮定叶片、各种陶瓷发动机部件、陶瓷工具、拔丝模具、轴承等。其实SiC晶须增韧氧化锆陶瓷也有局限性，主要原因是这两者的膨胀系数并不匹配。

那么，这两种增韧材料是如何改变陶瓷韧性的呢？

SiC晶须增韧

目前为止，SiC对陶瓷材料的增韧分为3类，颗粒(SiCp)、晶须(SiCw)和晶片(SiCpl)。

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1、SiCp增韧陶瓷材料

SiCp的增韧机理主要是在复合材料内部形成了内晶型结构。内晶型结构纳米复合陶瓷晶粒细化同时产生了次晶界，致使晶界数量大幅度增加，材料的强度和韧性也大幅提高某些陶瓷甚至还表现出了超韧性。

2、SiCw增韧陶瓷材料

SiCw对复合材料的增韧机理一般有3种：裂纹桥连、裂纹偏转和拔出效应。晶须桥连是指晶须受外载的作用，在断开的裂纹面之间桥连，桥连的晶须在基体中生使裂纹闭合的应力而消耗外界所做的功。裂纹偏转是指当裂纹尖端遇到弹性模量比基体大的晶须时，偏离原来的方向，沿两相界面或在基体内扩展，这种非平面断裂比平面断裂有更大的断裂表面，因而能吸收更多的能量，从而可提高材料的断裂韧性。晶须的拔出是指在外载作用下，晶须从基体中拔出，因界面摩擦而消耗外界载荷的能量，从而达到增韧的目的。

3、SiSiCpl增韧陶瓷材料

SiCpl具有增韧效果好、制备工艺简单等优点，使得陶瓷材料的维氏硬度、弹性系数、断裂韧性和高温强度都有很大的提高，目前得到了众多研究者的关注。

4、复合增韧陶瓷材料

复合增韧陶瓷材料是指利用SiCp、SiCw、SiCpl其中的2种或3种所制备的复合陶瓷材料。在这种材料中，SiCw、SiCpl起到拔出、桥连作用，SiCp用来细化晶粒，并起裂纹转向、分岔作用。同时，由于SiCp部分取代SiCw，使SiCw含量减少，给均匀混料、烧结致密化带来好处。

随着纳米材料制备技术的日趋完善，陶瓷复合材料的研究正从微米复合向纳米复合方向发展，纳米SiCw，复合材料成为SiC增韧陶瓷基复合材料研究的一个新领域。由于复合增韧陶瓷材料具有优异的性能。因此，该种复合材料将是SiC增韧陶瓷基复合材料发展的一个方向。

ZrO2增韧

ZrO2增韧机制有许多种：应力诱导相变增同、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹分岔增韧等。在实际材料中究竟何种机制起仁导作用，在很大程度上取决于t一ZrO2向m一ZrO2马氏体相变程度的高低及相变在料中发生的部位

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1、相变增韧

亚稳定四方相t-ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变，形成单斜相，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。另外，相变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。

2、微裂纹增韧

t→m相变伴随体积膨胀，使得相变区域形成很多微裂纹。当主裂纹在扩展过程中遇到微裂纹，主裂纹的扩展路径将改变方向或分叉。此外，主裂纹尖端除由于应力集中而诱发相变，产生微裂纹，起到分散主裂纹尖端能量的作用，从而提高材料的断裂韧性。当微裂纹相互独立时，微裂纹密度越高，增韧效果越好。

3、残余应力增韧

陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到增强韧化的目的。控制含弥散四方相的ZrO2颗粒的陶瓷在表层发生四方相向单斜相的相变，引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力。由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹，表面残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展，从而起到增强增韧的效果。尺寸较小的ｔ相粒子相变时，总膨胀应变小，应变能也小，不足以使基体产生微裂纹，那么这些应变能就以残余应力的形式储存下来。当主裂纹扩展进入残余应力区时，残余应力释放，阻碍主裂纹的进一步扩展，这种韧化机制被称为残余应力增韧机制。

参考资料：

[1]夏傲.氧化锆增韧陶瓷材料的结构性能和应用

[2]李绍纯.碳化硅颗粒、晶须、晶片增韧陶瓷复合材料的研究现状

[3]王秋红.碳化硅晶须的制备及其在复合材料增韧中的应用

[4]黄康明.陶瓷增韧技术的研究进展

[5]邬国平.流体密封用碳化硅陶瓷增韧技术研究进展

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