中國(guó)粉體網(wǎng)訊 陶瓷材料具有優(yōu)異的硬度和強(qiáng)度，基體原子間的牢固結(jié)合使其具有高熔點(diǎn)和高溫穩(wěn)定性。因陶瓷材料的組分多為輕元素，故具有比金屬材料更低的密度。但因其脆性較大，對(duì)缺陷十分敏感，故而限制了應(yīng)用。塑性的缺乏常常導(dǎo)致陶瓷材料發(fā)生失效和損毀。
陶瓷材料強(qiáng)化韌性的方法主要有：清除/減少材料中原始裂紋；通過(guò)添加增韌相提高陶瓷的韌性，如纖維或晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、相變?cè)鲰g、顆粒彌散增韌等。然而這些方法仍存在一些不足。
消除/減少材料中的原始裂紋缺陷法受陶瓷材料制備和加工工藝的影響。長(zhǎng)纖維增韌雖然效果好，但工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、成本略高；晶須增韌受限于晶須尺寸，且不當(dāng)處理的晶須對(duì)人體健康存在危害；相變?cè)鲰g在高溫狀態(tài)下會(huì)失效；顆粒彌散增韌效果也存在局限。
隨著對(duì)生物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的研究日益深入，自然界中生物質(zhì)材料獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)為陶瓷材料的增韌研究提供了啟發(fā)。通過(guò)在脆性陶瓷材料中加入耐高溫軟質(zhì)材料，設(shè)計(jì)和制作層狀復(fù)合物以提高陶瓷韌性。
層狀設(shè)計(jì)建立在能量耗散機(jī)制的基礎(chǔ)上，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理是盡量減少材料力學(xué)性能對(duì)原始裂紋缺陷的依賴性，使材料發(fā)展成為一種對(duì)缺陷不敏感的材料。且仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不像其他韌化方法犧牲來(lái)?yè)Q去高韌性，而是材料的強(qiáng)度和韌性同時(shí)得到提高。
復(fù)合材料的性能是由層的性能決定的，隔離層性質(zhì)對(duì)所制備的層狀復(fù)合材料的破壞方式有決定性的影響。材料的破壞方式是由隔離層的性質(zhì)決定的，隔離層的力學(xué)性能與其成分有關(guān)，通過(guò)改變隔離層的成分，可以使界面從弱界面向強(qiáng)界面的轉(zhuǎn)變；處于弱界面時(shí)復(fù)合材料表現(xiàn)出很高的表面斷裂韌性，而當(dāng)處于強(qiáng)界面時(shí)材料的韌性較低，而強(qiáng)度可以得到提高。
單層陶瓷材料的本征性能是實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合材料綜合性能的基礎(chǔ)，根據(jù)多層設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)組分、結(jié)構(gòu)的選擇，設(shè)計(jì)相應(yīng)特征的單層陶瓷材料必不可少。各層材料自身本征特性與外界環(huán)境產(chǎn)生協(xié)同或拮抗效應(yīng)。優(yōu)化各層級(jí)之間的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)合理的空間構(gòu)型是保證多層復(fù)合材料具有優(yōu)異綜合性能的關(guān)鍵。
層狀復(fù)合陶瓷
在陶瓷材料中引入具有不同膨脹系數(shù)、不同彈性模量的晶界相，在燒成過(guò)程中由于熱膨脹/彈性模量上的不匹配，在界面相中存在各種應(yīng)力，通過(guò)晶界應(yīng)力設(shè)計(jì)，在陶瓷體內(nèi)存在轉(zhuǎn)移、消耗和吸收外加能量的能力，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的強(qiáng)化和增韌。
1961年層狀復(fù)合陶瓷就已出現(xiàn)并用于多層電容器。1964年，J.Cook首先提出：用弱夾層隔離脆性層板，用弱夾層偏轉(zhuǎn)裂紋，材料整體就提高了對(duì)裂紋生長(zhǎng)的阻力。1973年，人們發(fā)現(xiàn)貝殼的珍珠層狀結(jié)構(gòu)，并于1977年制備了高分子層狀復(fù)合物。1986年嘗試用流延成型法制備層狀復(fù)合陶瓷并獲成功。1990年，Clegg在《Nature》發(fā)表了“A Simple Way To Toughen Ceramic”，至此層狀復(fù)合陶瓷制備和性能研究產(chǎn)生了多種多樣制備方法。
層狀復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)
層狀復(fù)合陶瓷主體結(jié)構(gòu)主要可分為三類(lèi)：即強(qiáng)—強(qiáng)夾層（三層和多層）結(jié)構(gòu)、強(qiáng)—弱夾層結(jié)構(gòu)和強(qiáng)—延性?shī)A層結(jié)構(gòu)。
強(qiáng)—弱夾層結(jié)構(gòu)主要通過(guò)在強(qiáng)度較高的基體層之間引入強(qiáng)度較低的弱薄層，當(dāng)主裂紋擴(kuò)展到弱夾層時(shí)，裂紋并非直接穿透弱夾層，而是首先沿界面擴(kuò)展再穿透弱夾層。通過(guò)優(yōu)化強(qiáng)弱夾層的層數(shù)和厚度，則主裂紋在層與層之間的擴(kuò)展為階梯狀前進(jìn)，因此延長(zhǎng)了主裂紋擴(kuò)展距離，并不斷降低了裂紋處應(yīng)力集中，達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果。
強(qiáng)—延性?shī)A層結(jié)構(gòu)主要通過(guò)在強(qiáng)夾層之間引入塑性較好的延性層，通過(guò)延性層的塑性變形消耗、吸收主裂紋的能量，降低主裂紋的應(yīng)力集中，減緩主裂紋的擴(kuò)展速度，達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果。
強(qiáng)—強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)主要包括三層設(shè)計(jì)和多層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。利用不同層之間物理性能差異，在層內(nèi)引入殘余應(yīng)力，抑制/減緩主裂紋擴(kuò)展，并通過(guò)層界面作用，改變主裂紋擴(kuò)展路徑，延長(zhǎng)主裂紋擴(kuò)展距離，使材料的強(qiáng)度、韌性和硬度提高。
層狀復(fù)合陶瓷分類(lèi)
陶瓷—陶瓷層狀復(fù)合材料
仿生層狀陶瓷有多種多樣的制備方法。按主層的材料劃分，主要有三種：SiC體系層狀復(fù)合材料，Al2O3層狀復(fù)合材料，Si3N4體系層狀復(fù)合材料。
陶瓷—金屬層狀復(fù)合材料
陶瓷層中加入金屬層的復(fù)合材料既具有陶瓷層狀復(fù)合材料的增韌特征外，還利用金屬塑性變形進(jìn)一步提高層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌性，為制備高強(qiáng)高韌復(fù)合陶瓷提供新途徑。
層狀復(fù)合陶瓷的制備方法
層狀復(fù)合材料的性能與設(shè)計(jì)和制備環(huán)節(jié)密切相關(guān)，組分選擇、漿料制備、甚至于疊層工藝與燒制都會(huì)影響層狀符合材料的性能。層狀陶瓷復(fù)合材料的制備方法主要包括流延成型（坯片疊層）、粉體壓層、順序注漿、離心沉積、電泳沉積、3D 打印等。
流延成型工藝具有操作靈活、原料適應(yīng)性強(qiáng)、坯體便于后期處理等特點(diǎn)，然而在燒結(jié)時(shí)，界面層的燒結(jié)速率與連續(xù)層速率的不一致容易導(dǎo)致整體致密化不均；粉體壓層和順序澆鑄因無(wú)法保證界面層均勻性而在層間界面的設(shè)計(jì)受限；離心沉積和電泳沉積對(duì)原料特性的依賴程度較高不利于耐火材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3D打印技術(shù)雖然受到關(guān)注，但當(dāng)前對(duì)設(shè)備、原料的要求較高，應(yīng)用仍存在一定的局限。
層狀復(fù)合材料的疊層工藝是保持性能穩(wěn)定的關(guān)鍵，不同疊層工藝對(duì)燒結(jié)及性能產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)加工方式不同一般可分為熱壓疊層與冷低壓層疊工藝。熱壓疊層工藝普遍應(yīng)用于坯體疊層，高溫下坯體中的聚合物發(fā)生塑性變形帶動(dòng)顆粒移動(dòng)，促進(jìn)界面出顆粒融合，難以應(yīng)用于需要通道、空隙的坯體設(shè)計(jì)；而冷低壓化學(xué)疊層利用類(lèi)雙面膠帶粘結(jié)層或用粘結(jié)液將坯體粘結(jié)，施加壓力便可將不同坯體連接在一起。
層狀耐火材料
隨著耐火材料逐步向高效、優(yōu)質(zhì)、功能、綠色發(fā)展。多層組合方式可用來(lái)制備高熱抗震的優(yōu)質(zhì)耐火材料。采用流延成型法制備不同粒級(jí)的單層坯體，通過(guò)疊層工藝便可燒結(jié)獲得中間高孔隙度、兩側(cè)致密的耐火材料，由于各單層燒結(jié)收縮和熱膨脹系數(shù)不同，內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可提高材料的抗熱震性。然而流延成型法在大尺寸顆粒應(yīng)用仍舊存在局限。
層狀耐火材料的設(shè)計(jì)，主要依靠材料各組分、結(jié)構(gòu)和層級(jí)之間的協(xié)同作用。然而影響多級(jí)協(xié)同效應(yīng)的因素還缺乏系統(tǒng)的理論支持。在高溫環(huán)境中，各層級(jí)耐火材料幾何性狀發(fā)生改變，材料自身本征特性與高溫環(huán)境發(fā)生作用，產(chǎn)生協(xié)同熱導(dǎo)效應(yīng)；同時(shí)在內(nèi)部應(yīng)力相互作用下，產(chǎn)生協(xié)同熱應(yīng)力效應(yīng)。
多級(jí)耐火材料的性能不僅與各層級(jí)材料的本征特性有關(guān)，也與界面結(jié)合的狀況有關(guān)。強(qiáng)結(jié)合界面材料內(nèi)部存在盈利，增加斷裂強(qiáng)度；弱結(jié)合界面誘導(dǎo)多重裂紋傳播，增加材料斷裂。不同組分結(jié)構(gòu)的層間界面引入方式不同。界面引入方式有直接壓層法、引入界面層法、原位生成界面層法等。
雖然層狀耐火材料的結(jié)構(gòu)功能一體化是發(fā)展趨勢(shì)，但多層級(jí)協(xié)同效應(yīng)仍舊是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵。由其是高溫環(huán)境作用下層狀耐火材料多層級(jí)界面協(xié)同效應(yīng)對(duì)熱傳導(dǎo)、熱應(yīng)力的作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
