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方法創造出來的最早的人造材料。1萬多年以前，它的誕生使人類由舊石器時代進入了新石器時代。

然而，陶瓷的脆性一直是它的致命弱點，如果能夠克服這個弱點，再加上它原有的耐高溫、耐腐蝕、耐磨、高強度等非常有價值的性能，那么陶瓷材料的前途將不可限量，甚至遠超現代的優質合金。可喜的是，人們現在已經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陶瓷，在美國被稱為高功能陶瓷，在我國被稱為特種陶瓷或韌性陶瓷。它們在新興工業的廣闊領域中，展示了誘人的前景，有的甚至成為高新技術的關鍵材料。可以預計，韌性陶瓷將以它嶄新的生命力，迎來又一個“新石器時代”。

陶瓷易碎的原因

陶瓷脆性表現之一是經不起碰撞摔打，也就是抗機械沖擊的性能差。任何材料的破壞，都必須具備兩個條件：一個是材料內部有裂紋存在，另一個是這種裂紋能在材料中擴展，直到斷裂。材料結構中的缺陷，包括微裂紋、氣孔和雜質，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出來。

陶瓷材料的組成和工藝過程都比較復雜，在制造過程中難免會形成一些缺陷。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生塑性變形，材料內部出現的應力都集中到裂紋的尖端上，是裂紋向尖端兩邊擴展的推動力；同時，材料中裂紋的擴展，意味著兩個新表面的形成。隨著裂紋迅速地擴展，新表面迅速地增大，直到材料破裂成幾塊。

陶瓷材料脆性表現之二是經不起冷熱沖擊，也就是抗熱震性能差。因冷熱沖擊使材料破壞的機理與前述因外力沖擊使材料破壞的機理有相同之處，也有不同的地方。所不同的是這時產生的應力稱為熱應力，它是因材料內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上的各種因素外，與材料本身的導熱性能和熱膨脹性能有很大關系。

近年來，科學家們在對傳統陶瓷進行研究后發現，它之所以脆弱，主要有兩個原因：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℃)，組成的結構也比陶器細密多了，用肉眼可能看不出有什么細微的缺陷。但是，如果你通過顯微鏡觀察，在瓷器碎片的斷面上，就可以看到許多細微的傷痕、裂紋、氣孔和夾雜物、晶體缺陷和表面傷痕，它們都可能成為陶瓷裂紋的發源地。

第二，由于陶瓷屬于脆性材料，一旦出現裂紋，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，由于陶瓷的導熱性較差，熱膨脹系數大，熱應力由此增加，因此，裂紋的擴展速度會進一步加劇。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，就會出現砂鍋炸裂事故。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。經過科學家的不懈努力，終于找到了克服陶瓷脆性的“藥方”。

首先，從改善內部結構著手。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，經高溫燒制成氧化鋯陶瓷后，其中的氧化鋯便生成兩種晶體：立方晶體和四方晶體。當陶瓷受到外力作用時，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，進而可阻止陶瓷中原先存在的細微裂紋的擴展。這樣，陶瓷就不會破裂了。有人在氧化鋁坯料中加入二氧化鋯，當加入量為基體體積的15％時，陶瓷的強度可以提高3倍。

其次，可在改善陶瓷的表面狀態方面下功夫。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就猶如為防止陶瓷的破損設下了第一道屏障。具體方法為：通過化學和機械拋光技術消除陶瓷的表面缺陷；對氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通過控制表面氧化技術，便可消除表面缺陷或使裂紋尖端變鈍；通過熱處理也可達到表面強化或增韌的目的。

第三，將纖維均勻地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的強度和韌性，其原理與我們在石灰中加入紙筋相類似。這是因為，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，在工作時可承擔大部分外加負荷，從而減輕了陶瓷的負擔，進而使裂紋不易產生；2.纖維與陶瓷體結合在一起后，具有很大的摩擦力，于是，陶瓷的韌性可以大大增加；3.即使陶瓷出現了細微裂紋，纖維也能將它們緊緊拉住，裂紋不至于進一步擴展開來。

近年有人試驗，如果用一種強度和彈性模量都比較高的纖維均勻地分布于陶瓷坯體中，制成纖維補強陶瓷復合材料，可以大大改善陶瓷脆性。補強纖維可以是金屬絲，也可以是無機材料纖維。但前者有一致命的弱點，即在空氣中要發生氧化反應而嚴重地損害其使用性能，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。

纖維補強陶瓷材料可用作宇宙飛行器的燒蝕材料、隔熱保護層，也可用作高溫燃氣輪機上的陶瓷元件等等。有機塑料與石英玻璃纖維組成的復合材料、石墨纖維和石英組成的復合材料、碳一碳復合材料等都可以作為宇宙飛行器的燒蝕材料。

【責任編輯】龐云