打不碎的韌性陶瓷

李湘洲 李南

陶瓷，是人類用自己的智慧和物理一化學(xué)方法創(chuàng)造出來的最早的人造材料。1萬(wàn)多年以前，它的誕生使人類由舊石器時(shí)代進(jìn)入了新石器時(shí)代。

然而，陶瓷的脆性一直是它的致命弱點(diǎn)，如果能夠克服這個(gè)弱點(diǎn)，再加上它原有的耐高溫、耐腐蝕、耐磨、高強(qiáng)度等非常有價(jià)值的性能，那么陶瓷材料的前途將不可限量，甚至遠(yuǎn)超現(xiàn)代的優(yōu)質(zhì)合金?？上驳氖?，人們現(xiàn)在已經(jīng)找到了克服陶瓷脆性的方法，這種新型陶瓷在日本被稱為精細(xì)陶瓷，在美國(guó)被稱為高功能陶瓷，在我國(guó)被稱為特種陶瓷或韌性陶瓷。它們?cè)谛屡d工業(yè)的廣闊領(lǐng)域中，展示了誘人的前景，有的甚至成為高新技術(shù)的關(guān)鍵材料?？梢灶A(yù)計(jì)，韌性陶瓷將以它嶄新的生命力，迎來又一個(gè)“新石器時(shí)代”。

陶瓷易碎的原因

陶瓷脆性表現(xiàn)之一是經(jīng)不起碰撞摔打，也就是抗機(jī)械沖擊的性能差。任何材料的破壞，都必須具備兩個(gè)條件：一個(gè)是材料內(nèi)部有裂紋存在，另一個(gè)是這種裂紋能在材料中擴(kuò)展，直到斷裂。材料結(jié)構(gòu)中的缺陷，包括微裂紋、氣孔和雜質(zhì)，都可能成為裂紋的來源和起因，即裂紋源。任何裂紋都是材料在外力作用下，從裂紋源產(chǎn)生出來的。裂紋源是難以用肉眼觀察到的，必須用精密的儀器如電子顯微鏡、超聲波探傷儀等才能探測(cè)出來。

陶瓷材料的組成和工藝過程都比較復(fù)雜，在制造過程中難免會(huì)形成一些缺陷。更重要的是，陶瓷材料在外力作用下，不能像金屬和塑料那樣產(chǎn)生塑性變形，材料內(nèi)部出現(xiàn)的應(yīng)力都集中到裂紋的尖端上，是裂紋向尖端兩邊擴(kuò)展的推動(dòng)力；同時(shí)，材料中裂紋的擴(kuò)展，意味著兩個(gè)新表面的形成。隨著裂紋迅速地?cái)U(kuò)展，新表面迅速地增大，直到材料破裂成幾塊。

陶瓷材料脆性表現(xiàn)之二是經(jīng)不起冷熱沖擊，也就是抗熱震性能差。因冷熱沖擊使材料破壞的機(jī)理與前述因外力沖擊使材料破壞的機(jī)理有相同之處，也有不同的地方。所不同的是這時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力，它是因材料內(nèi)部存在溫差使膨脹或收縮不一致而引起的。因此，陶瓷材料的抗熱震性能除了力學(xué)上的各種因素外，與材料本身的導(dǎo)熱性能和熱膨脹性能有很大關(guān)系。

近年來，科學(xué)家們?cè)趯?duì)傳統(tǒng)陶瓷進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，它之所以脆弱，主要有兩個(gè)原因：第一，由于陶器的燒成溫度比較低，通常為800℃～1000℃，因此氣孔率比較高。在陶器碎片的斷面上，不難看見許多小孔洞，而且組成陶器的顆粒也比較粗大。瓷器的燒成溫度雖然要比陶器高(通常為1200℃～1400℃)，組成的結(jié)構(gòu)也比陶器細(xì)密多了，用肉眼可能看不出有什么細(xì)微的缺陷。但是，如果你通過顯微鏡觀察，在瓷器碎片的斷面上，就可以看到許多細(xì)微的傷痕、裂紋、氣孔和夾雜物、晶體缺陷和表面?zhèn)?，它們都可能成為陶瓷裂紋的發(fā)源地。

第二，由于陶瓷屬于脆性材料，一旦出現(xiàn)裂紋，它不像金屬那樣具有塑性變形能力，所以，只好“打破砂鍋(紋)到底”了。至于在熱沖擊的條件下，由于陶瓷的導(dǎo)熱性較差，熱膨脹系數(shù)大，熱應(yīng)力由此增加，因此，裂紋的擴(kuò)展速度會(huì)進(jìn)一步加劇。在日常生活中，如果我們用砂鍋燉煮食物，只能用文火慢慢加熱，如果一開始就用猛火急燒，就會(huì)出現(xiàn)砂鍋炸裂事故。即使是燒好以后，也不能用水急冷。

克服陶瓷脆性的“藥方”

所謂韌性陶瓷，必須克服普通陶瓷脆性這一缺點(diǎn)。經(jīng)過科學(xué)家的不懈努力，終于找到了克服陶瓷脆性的“藥方”。

首先，從改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手。研究表明，在氧化鋯陶瓷的原料中添加少量的氧化釔、氧化鎂、氧化鈣等粉末，經(jīng)高溫?zé)瞥裳趸喬沾珊?，其中的氧化鋯便生成兩種晶體：立方晶體和四方晶體。當(dāng)陶瓷受到外力作用時(shí)，四方晶體便變成一種單斜晶體，體積迅速“膨脹”。由于晶體的體積急速增大，進(jìn)而可阻止陶瓷中原先存在的細(xì)微裂紋的擴(kuò)展。這樣，陶瓷就不會(huì)破裂了。有人在氧化鋁坯料中加入二氧化鋯，當(dāng)加入量為基體體積的15％時(shí)，陶瓷的強(qiáng)度可以提高3倍。

其次，可在改善陶瓷的表面狀態(tài)方面下功夫。一般來說，陶瓷的斷裂大都從表面的缺陷開始，因此，改善陶瓷的表面狀態(tài)就猶如為防止陶瓷的破損設(shè)下了第一道屏障。具體方法為：通過化學(xué)和機(jī)械拋光技術(shù)消除陶瓷的表面缺陷；對(duì)氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通過控制表面氧化技術(shù)，便可消除表面缺陷或使裂紋尖端變鈍；通過熱處理也可達(dá)到表面強(qiáng)化或增韌的目的。

第三，將纖維均勻地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的強(qiáng)度和韌性，其原理與我們?cè)谑抑屑尤爰埥钕囝愃?。這是因?yàn)?，將纖維加入陶瓷原料之中，具有以下三大作用：1.纖維不易拉斷，在工作時(shí)可承擔(dān)大部分外加負(fù)荷，從而減輕了陶瓷的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而使裂紋不易產(chǎn)生；2.纖維與陶瓷體結(jié)合在一起后，具有很大的摩擦力，于是，陶瓷的韌性可以大大增加；3.即使陶瓷出現(xiàn)了細(xì)微裂紋，纖維也能將它們緊緊拉住，裂紋不至于進(jìn)一步擴(kuò)展開來。

近年有人試驗(yàn)，如果用一種強(qiáng)度和彈性模量都比較高的纖維均勻地分布于陶瓷坯體中，制成纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料，可以大大改善陶瓷脆性。補(bǔ)強(qiáng)纖維可以是金屬絲，也可以是無(wú)機(jī)材料纖維。但前者有一致命的弱點(diǎn)，即在空氣中要發(fā)生氧化反應(yīng)而嚴(yán)重地?fù)p害其使用性能，甚至完全失去金屬的本性；后者有碳纖維、碳化硅纖維、氧化硼纖維、碳化硼纖維以及各種高溫氧化物的纖維等。

纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷材料可用作宇宙飛行器的燒蝕材料、隔熱保護(hù)層，也可用作高溫燃?xì)廨啓C(jī)上的陶瓷元件等等。有機(jī)塑料與石英玻璃纖維組成的復(fù)合材料、石墨纖維和石英組成的復(fù)合材料、碳一碳復(fù)合材料等都可以作為宇宙飛行器的燒蝕材料。

【責(zé)任編輯】龐云