1.2 陶瓷材料性能的改善

1.2.1 陶瓷材料的韧化

众所周知，陶瓷材料虽然具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和密度小等一系列优良的特殊性能，但是它也存在一个致命的弱点，就是脆性大，这就大大限制了它的实际应用。为了减轻它的脆性，改善力学性能，可以从两个方面入手：采用烧结和热处理方法，使其在显微组织中产生增韧相；在陶瓷材料制备中，采用机械混合的方法加入起到增韧作用的第二相，陶瓷基增强复合材料就属于这一类。

1.相变韧化

ZrO ₂ 陶瓷的同素异构转变就属于相变韧化。前已述及，ZrO ₂ 陶瓷在从液态冷却下来的时候，能够发生下述的同素异构转变：液相（L）→立方相（c）→正方相（t）→单斜相（m），其中t→m属于马氏体相变。t→m相变时伴随着5%的体积膨胀，相变产生的体积效应和形状效应，能够吸收大量能量，从而表现出非常高的韧性。在ZrO ₂ 陶瓷中加入足够的稳定剂（前已述及，如Y ₂ O ₃ 等），使得t→m相变点 Ms 稳定到室温以下。这样，ZrO ₂ 陶瓷在承载中就会发生应力诱发t→m相变，从而提高韧性。

采用加入不同含量的稳定剂或者热处理的方法可以得到t+m、c+t、c+t+m的组织，由于这些组织中都存在t相，可以产生t→m相变韧化效应，这种组织就是PSZ。

2.增强组织韧化

图1-17给出了SiC晶须与ZrO ₂ 复合增韧陶瓷材料的强度与断裂韧度。图1-18所示为不同SiC晶须增强复合陶瓷材料的断裂韧度。

1.2.2 复合增韧陶瓷材料的组织

1.复合增韧陶瓷材料的组织特征

所谓复合材料，就是人为地把一种材料混入某种基体材料之中而得到的多相材料，它不是利用相变在材料内部产生的。图1-19所示为复合材料组织的模型。图1-20和图1-21所示分别是C纤维/SiO ₂ 纤维增强复合材料横截面和C纤维/Si ₃ N ₄ 纤维增强复合材料横截面的光学显微照片。

图1-22和图1-23分别为颗粒增强ZrO ₂ 颗粒/Al ₂ O ₃ 和ZrO ₂ 颗粒/（莫来石+Al ₂ O ₃ ）复合材料的显微组织。图1-24和图1-25分别是晶须增强SiC晶须/ZrO ₂ 和SiC晶须/Al ₂ O ₃ 复合材料的显微组织。图1-26所示为颗粒和晶须联合增强Al ₂ O ₃ +ZrO ₂ 颗粒+SiC晶须复合材料的显微组织。

2.陶瓷基复合材料的界面

界面是复合材料的一个很重要的问题，界面的性质决定了复合材料的性能。界面的性质主要是指界面的物理和化学的相容性：物理相容性是指基体和增强体之间弹性模量和线胀系数是否匹配；化学相容性是指它们之间是否存在化学反应或者界面反应层。

界面可以分为两大类：

一类是没有反应层的界面，这类界面是增强体与基体直接结合，形成共格、半共格、非共格界面，晶须或者颗粒增强的陶瓷基复合材料中增强体和基体的界面大多是非共格界面，这种界面比存在化学反应的界面较弱，有利于界面的解离和韧性的提高。图1-27所示为SiC晶须/ZrO ₂ （含有质量分数为2%的Y ₂ O ₃ ）复合材料的界面结构，图1-28为（α+β）-赛隆/SiC颗粒复合材料中α/β-赛隆界面和β-赛隆/SiC晶须颗粒界面的HREM像。可以看出，界面均为原子之间直接结合。

另外一类是具有反应层的界面，在增强体和基体之间存在一个反应层或者扩散层，这一个中间层将增强体和基体紧密地结合在一起，增加了界面的结合强度。图1-29所示为SiC晶须/ZrO ₂ （含有质量分数为6%的Y ₂ O ₃ ）复合材料的界面结构，可以清楚地看到界面中间反应层的形成。界面中间反应层的形成及其性质与形成界面两相的化学相容性、原材料粉体的表面化学纯度和材料烧结添加剂的类型和含量等因素有关。