中國粉體網訊 陶瓷材料具有優(yōu)異的硬度和強度，基體原子間的牢固結合使其具有高熔點和高溫穩(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，對缺陷十分敏感，故而限制了應用。塑性的缺乏常常導致陶瓷材料發(fā)生失效和損毀。
陶瓷材料強化韌性的方法主要有：清除/減少材料中原始裂紋；通過添加增韌相提高陶瓷的韌性，如纖維或晶須增韌補強、相變增韌、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。長纖維增韌雖然效果好，但工藝復雜、生產周期較長、成本略高；晶須增韌受限于晶須尺寸，且不當處理的晶須對人體健康存在危害；相變增韌在高溫狀態(tài)下會失效；顆粒彌散增韌效果也存在局限。
隨著對生物質材料微觀結構的研究日益深入，自然界中生物質材料獨特的微觀結構為陶瓷材料的增韌研究提供了啟發(fā)。通過在脆性陶瓷材料中加入耐高溫軟質材料，設計和制作層狀復合物以提高陶瓷韌性。
層狀設計建立在能量耗散機制的基礎上，其結構設計的原理是盡量減少材料力學性能對原始裂紋缺陷的依賴性，使材料發(fā)展成為一種對缺陷不敏感的材料。且仿生結構設計不像其他韌化方法犧牲來換去高韌性，而是材料的強度和韌性同時得到提高。
復合材料的性能是由層的性能決定的，隔離層性質對所制備的層狀復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決定的，隔離層的力學性能與其成分有關，通過改變隔離層的成分，可以使界面從弱界面向強界面的轉變；處于弱界面時復合材料表現出很高的表面斷裂韌性，而當處于強界面時材料的韌性較低，而強度可以得到提高。
單層陶瓷材料的本征性能是實現多層復合材料綜合性能的基礎，根據多層設計原則，通過對組分、結構的選擇，設計相應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)境產生協(xié)同或拮抗效應。優(yōu)化各層級之間的結構、設計合理的空間構型是保證多層復合材料具有優(yōu)異綜合性能的關鍵。
層狀復合陶瓷
在陶瓷材料中引入具有不同膨脹系數、不同彈性模量的晶界相，在燒成過程中由于熱膨脹/彈性模量上的不匹配，在界面相中存在各種應力，通過晶界應力設計，在陶瓷體內存在轉移、消耗和吸收外加能量的能力，從而實現陶瓷材料的強化和增韌。
1961年層狀復合陶瓷就已出現并用于多層電容器。1964年，J.Cook首先提出：用弱夾層隔離脆性層板，用弱夾層偏轉裂紋，材料整體就提高了對裂紋生長的阻力。1973年，人們發(fā)現貝殼的珍珠層狀結構，并于1977年制備了高分子層狀復合物。1986年嘗試用流延成型法制備層狀復合陶瓷并獲成功。1990年，Clegg在《Nature》發(fā)表了“A Simple Way To Toughen Ceramic”，至此層狀復合陶瓷制備和性能研究產生了多種多樣制備方法。
層狀復合陶瓷結構
層狀復合陶瓷主體結構主要可分為三類：即強—強夾層（三層和多層）結構、強—弱夾層結構和強—延性夾層結構。
強—弱夾層結構主要通過在強度較高的基體層之間引入強度較低的弱薄層，當主裂紋擴展到弱夾層時，裂紋并非直接穿透弱夾層，而是首先沿界面擴展再穿透弱夾層。通過優(yōu)化強弱夾層的層數和厚度，則主裂紋在層與層之間的擴展為階梯狀前進，因此延長了主裂紋擴展距離，并不斷降低了裂紋處應力集中，達到增強增韌的效果。
強—延性夾層結構主要通過在強夾層之間引入塑性較好的延性層，通過延性層的塑性變形消耗、吸收主裂紋的能量，降低主裂紋的應力集中，減緩主裂紋的擴展速度，達到增強增韌的效果。
強—強夾層結構主要包括三層設計和多層設計結構。利用不同層之間物理性能差異，在層內引入殘余應力，抑制/減緩主裂紋擴展，并通過層界面作用，改變主裂紋擴展路徑，延長主裂紋擴展距離，使材料的強度、韌性和硬度提高。
層狀復合陶瓷分類
陶瓷—陶瓷層狀復合材料
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體系層狀復合材料，Al2O3層狀復合材料，Si3N4體系層狀復合材料。
陶瓷—金屬層狀復合材料
陶瓷層中加入金屬層的復合材料既具有陶瓷層狀復合材料的增韌特征外，還利用金屬塑性變形進一步提高層狀復合材料的強度和斷裂韌性，為制備高強高韌復合陶瓷提供新途徑。
層狀復合陶瓷的制備方法
層狀復合材料的性能與設計和制備環(huán)節(jié)密切相關，組分選擇、漿料制備、甚至于疊層工藝與燒制都會影響層狀符合材料的性能。層狀陶瓷復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、原料適應性強、坯體便于后期處理等特點，然而在燒結時，界面層的燒結速率與連續(xù)層速率的不一致容易導致整體致密化不均；粉體壓層和順序澆鑄因無法保證界面層均勻性而在層間界面的設計受限；離心沉積和電泳沉積對原料特性的依賴程度較高不利于耐火材料結構設計；3D打印技術雖然受到關注，但當前對設備、原料的要求較高，應用仍存在一定的局限。
層狀復合材料的疊層工藝是保持性能穩(wěn)定的關鍵，不同疊層工藝對燒結及性能產生不同的影響。根據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)生塑性變形帶動顆粒移動，促進界面出顆粒融合，難以應用于需要通道、空隙的坯體設計；而冷低壓化學疊層利用類雙面膠帶粘結層或用粘結液將坯體粘結，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、功能、綠色發(fā)展。多層組合方式可用來制備高熱抗震的優(yōu)質耐火材料。采用流延成型法制備不同粒級的單層坯體，通過疊層工藝便可燒結獲得中間高孔隙度、兩側致密的耐火材料，由于各單層燒結收縮和熱膨脹系數不同，內部產生的殘余應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用仍舊存在局限。
層狀耐火材料的設計，主要依靠材料各組分、結構和層級之間的協(xié)同作用。然而影響多級協(xié)同效應的因素還缺乏系統(tǒng)的理論支持。在高溫環(huán)境中，各層級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，產生協(xié)同熱導效應；同時在內部應力相互作用下，產生協(xié)同熱應力效應。
多級耐火材料的性能不僅與各層級材料的本征特性有關，也與界面結合的狀況有關。強結合界面材料內部存在盈利，增加斷裂強度；弱結合界面誘導多重裂紋傳播，增加材料斷裂。不同組分結構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構功能一體化是發(fā)展趨勢，但多層級協(xié)同效應仍舊是限制其應用的關鍵。由其是高溫環(huán)境作用下層狀耐火材料多層級界面協(xié)同效應對熱傳導、熱應力的作用機理仍需進一步研究。
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（中國粉體網編輯整理/江岸）
