打不碎的韧性陶瓷

李湘洲 李南

陶瓷，是人类用自己的智慧和物理一化学方法创造出来的最早的人造材料。1万多年以前，它的诞生使人类由旧石器时代进入了新石器时代。

然而，陶瓷的脆性一直是它的致命弱点，如果能够克服这个弱点，再加上它原有的耐高温、耐腐蚀、耐磨、高强度等非常有价值的性能，那么陶瓷材料的前途将不可限量，甚至远超现代的优质合金。可喜的是，人们现在已经找到了克服陶瓷脆性的方法，这种新型陶瓷在日本被称为精细陶瓷，在美国被称为高功能陶瓷，在我国被称为特种陶瓷或韧性陶瓷。它们在新兴工业的广阔领域中，展示了诱人的前景，有的甚至成为高新技术的关键材料。可以预计，韧性陶瓷将以它崭新的生命力，迎来又一个“新石器时代”。

陶瓷易碎的原因

陶瓷脆性表现之一是经不起碰撞摔打，也就是抗机械冲击的性能差。任何材料的破坏，都必须具备两个条件：一个是材料内部有裂纹存在，另一个是这种裂纹能在材料中扩展，直到断裂。材料结构中的缺陷，包括微裂纹、气孔和杂质，都可能成为裂纹的来源和起因，即裂纹源。任何裂纹都是材料在外力作用下，从裂纹源产生出来的。裂纹源是难以用肉眼观察到的，必须用精密的仪器如电子显微镜、超声波探伤仪等才能探测出来。

陶瓷材料的组成和工艺过程都比较复杂，在制造过程中难免会形成一些缺陷。更重要的是，陶瓷材料在外力作用下，不能像金属和塑料那样产生塑性变形，材料内部出现的应力都集中到裂纹的尖端上，是裂纹向尖端两边扩展的推动力；同时，材料中裂纹的扩展，意味着两个新表面的形成。随着裂纹迅速地扩展，新表面迅速地增大，直到材料破裂成几块。

陶瓷材料脆性表现之二是经不起冷热冲击，也就是抗热震性能差。因冷热冲击使材料破坏的机理与前述因外力冲击使材料破坏的机理有相同之处，也有不同的地方。所不同的是这时产生的应力称为热应力，它是因材料内部存在温差使膨胀或收缩不一致而引起的。因此，陶瓷材料的抗热震性能除了力学上的各种因素外，与材料本身的导热性能和热膨胀性能有很大关系。

近年来，科学家们在对传统陶瓷进行研究后发现，它之所以脆弱，主要有两个原因：第一，由于陶器的烧成温度比较低，通常为800℃～1000℃，因此气孔率比较高。在陶器碎片的断面上，不难看见许多小孔洞，而且组成陶器的颗粒也比较粗大。瓷器的烧成温度虽然要比陶器高(通常为1200℃～1400℃)，组成的结构也比陶器细密多了，用肉眼可能看不出有什么细微的缺陷。但是，如果你通过显微镜观察，在瓷器碎片的断面上，就可以看到许多细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕，它们都可能成为陶瓷裂纹的发源地。

第二，由于陶瓷属于脆性材料，一旦出现裂纹，它不像金属那样具有塑性变形能力，所以，只好“打破砂锅(纹)到底”了。至于在热冲击的条件下，由于陶瓷的导热性较差，热膨胀系数大，热应力由此增加，因此，裂纹的扩展速度会进一步加剧。在日常生活中，如果我们用砂锅炖煮食物，只能用文火慢慢加热，如果一开始就用猛火急烧，就会出现砂锅炸裂事故。即使是烧好以后，也不能用水急冷。

克服陶瓷脆性的“药方”

所谓韧性陶瓷，必须克服普通陶瓷脆性这一缺点。经过科学家的不懈努力，终于找到了克服陶瓷脆性的“药方”。

首先，从改善内部结构着手。研究表明，在氧化锆陶瓷的原料中添加少量的氧化钇、氧化镁、氧化钙等粉末，经高温烧制成氧化锆陶瓷后，其中的氧化锆便生成两种晶体：立方晶体和四方晶体。当陶瓷受到外力作用时，四方晶体便变成一种单斜晶体，体积迅速“膨胀”。由于晶体的体积急速增大，进而可阻止陶瓷中原先存在的细微裂纹的扩展。这样，陶瓷就不会破裂了。有人在氧化铝坯料中加入二氧化锆，当加入量为基体体积的15％时，陶瓷的强度可以提高3倍。

其次，可在改善陶瓷的表面状态方面下功夫。一般来说，陶瓷的断裂大都从表面的缺陷开始，因此，改善陶瓷的表面状态就犹如为防止陶瓷的破损设下了第一道屏障。具体方法为：通过化学和机械抛光技术消除陶瓷的表面缺陷；对氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通过控制表面氧化技术，便可消除表面缺陷或使裂纹尖端变钝；通过热处理也可达到表面强化或增韧的目的。

第三，将纤维均匀地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的强度和韧性，其原理与我们在石灰中加入纸筋相类似。这是因为，将纤维加入陶瓷原料之中，具有以下三大作用：1.纤维不易拉断，在工作时可承担大部分外加负荷，从而减轻了陶瓷的负担，进而使裂纹不易产生；2.纤维与陶瓷体结合在一起后，具有很大的摩擦力，于是，陶瓷的韧性可以大大增加；3.即使陶瓷出现了细微裂纹，纤维也能将它们紧紧拉住，裂纹不至于进一步扩展开来。

近年有人试验，如果用一种强度和弹性模量都比较高的纤维均匀地分布于陶瓷坯体中，制成纤维补强陶瓷复合材料，可以大大改善陶瓷脆性。补强纤维可以是金属丝，也可以是无机材料纤维。但前者有一致命的弱点，即在空气中要发生氧化反应而严重地损害其使用性能，甚至完全失去金属的本性；后者有碳纤维、碳化硅纤维、氧化硼纤维、碳化硼纤维以及各种高温氧化物的纤维等。

纤维补强陶瓷材料可用作宇宙飞行器的烧蚀材料、隔热保护层，也可用作高温燃气轮机上的陶瓷元件等等。有机塑料与石英玻璃纤维组成的复合材料、石墨纤维和石英组成的复合材料、碳一碳复合材料等都可以作为宇宙飞行器的烧蚀材料。

【责任编辑】庞云