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1、陶瓷材料相轉(zhuǎn)變增韌的研究進(jìn)展宋順林，王志宏，王汝娜，高旭東（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100022）摘要介紹了幾種相轉(zhuǎn)變韌化機(jī)制，主要包括ZrO2相變增韌、鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變增韌、鐵彈性疇轉(zhuǎn)變增韌的增韌機(jī)理和研究進(jìn)展。提出一種新的相轉(zhuǎn)變增韌機(jī)制——鐵磁性疇轉(zhuǎn)變增韌機(jī)制，即利用鐵磁相的磁疇轉(zhuǎn)變或壓磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量耗散，從而達(dá)到增韌效果，探討了其可能性。關(guān)鍵詞陶瓷材料疇轉(zhuǎn)變增韌斷裂韌性ProgressinResearchonTransformationTougheningofCeramicMaterialsSONGShu
2、nlin,WANGZhihong,WANGRuna,GAOXudong(CollegeofMaterialsScience&Engineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022)AbstractInthispaper,thecurrentstudyofceramicstoughenedbytransformationisbrieflyreviewed,includingZrO2transformationtoughening,ferroelectric/piezoele
3、ctricdomainswitchingandferroelasticdomainswitching.Anewmechanismforthetougheningofceramicsisproposed,whichmeansthatenergydissipationisachievedbytheferromagneticdomainswitchingorpiezomagneticeffect,andtheprobabilityofthistougheningmechanismisdiscussedinthearticle.Key
4、wordsceramicmaterialsdomainswitchingtougheningfracturetoughness0引言陶瓷材料具有很多優(yōu)異的性能，諸如結(jié)構(gòu)陶瓷具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，功能材料具有獨(dú)特的電學(xué)性能、磁學(xué)性能、鐵電壓電性能等。但是它們都有一個共同的缺陷，那就是脆性。提高陶瓷材料韌性的途徑有多種，通常在改善和提高韌性的過程中，材料工作者們向陶瓷基體內(nèi)添加各種陶瓷顆粒、纖維及晶須或它們的復(fù)合物，制備出各種陶瓷及復(fù)合材料。其增韌機(jī)理主要包括相轉(zhuǎn)變增韌、纖維和晶須增韌、顆粒彌散增韌、
5、自增韌等，其中相轉(zhuǎn)變韌化機(jī)制主要有ZrO2相變增韌、鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變增韌、鐵彈性疇轉(zhuǎn)變增韌。1ZrO2相變增韌機(jī)制在部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)、多晶四方相氧化鋯(TZP)及其他一些ZrO2增韌陶瓷中，由于穩(wěn)定劑Y2O3、CeO2和MgO等的引入，以及基體對t-ZrO2的束縛作用，使得瓷體中部分t-ZrO26在燒成冷卻過程中以亞穩(wěn)態(tài)保存下來[1]。這些亞穩(wěn)t-ZrO2在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下發(fā)生相變，產(chǎn)生體積膨脹，從而對裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌機(jī)理。應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的
6、基本出發(fā)點(diǎn)是“相變伴隨的體積膨脹產(chǎn)生屏蔽裂紋擴(kuò)張過程或殘余應(yīng)力增韌”。關(guān)于ZrO2相變增韌的研究主要是圍繞著ZrO2的相變特性展開的。ZrO2在室溫下為單斜晶系，當(dāng)溫度達(dá)到1170℃時，由單斜晶系轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)態(tài)的四方晶型，當(dāng)燒結(jié)致密后冷卻時，ZrO2顆粒仍以四方相存在，它有一種力圖膨脹而變成單斜相的自發(fā)傾向。當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t-ZrO2晶粒的區(qū)域時，t-ZrO2在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下，轉(zhuǎn)變成m-ZrO2，從而耗散部分能量，同時引起3％～5％的體積膨脹，阻礙裂紋擴(kuò)展[1,2]。伴隨體積膨脹產(chǎn)生的微裂紋將起到分散基體中主裂紋尖端
7、能量的作用，并導(dǎo)致主裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生扭曲和分叉，從而提高斷裂能，引起陶瓷斷裂韌性的增加[3]。Al2O3/ZrO2是典型相變增韌陶瓷[4,5]，Basu等學(xué)者[6]利用真空熱壓燒結(jié)法在1450℃的條件下，對Y-TZP/Al2O3復(fù)相陶瓷燒結(jié)1h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其斷裂韌性可達(dá)10MPa·m1/2。還有一些陶瓷材料也可以通過加入ZrO2來實(shí)現(xiàn)增韌，YongliLi等人[7]通過熱壓燒結(jié)成功制備出3Y-ZrO2/BN復(fù)合陶瓷材料，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別可達(dá)800MPa和8MPa·m1/2以上。XigengMiao等人[8]利用熱壓燒結(jié)制
8、備出SiC/Y-TZP復(fù)相陶瓷材料，其斷裂韌性可達(dá)8.3MPa·m1/2以上。ZrO2相變增韌的影響因素很多，如ZrO2含量及粒徑、晶粒尺寸、其他添加劑種類和數(shù)量、晶粒取向等。其缺點(diǎn)是增韌效果隨溫度的升高而急劇下降[9,10]，因此一般單純依靠相變增韌來提高韌性的陶瓷材料不能
