中國粉體網(wǎng)訊  陶瓷材料有多棒，我想不用小編多說，大家都懂。美中不足的就是它的脆性大，容易產(chǎn)生裂紋，影響陶瓷材料零件的使用穩(wěn)定性，降低陶瓷零件的可靠性和安全性，鑒于此，改善其韌性是一個好辦法。但如果當(dāng)陶瓷內(nèi)部裂紋出現(xiàn)的時候，實現(xiàn)裂紋處的自愈合，使其恢復(fù)如初，那是不是在一定程度上讓陶瓷實現(xiàn)了“長生不老”呢？

在前不久，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)在內(nèi)多所機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了在某種類型的陶瓷中的未知的自我修復(fù)機(jī)制。據(jù)了解，在這項新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種特殊類型的陶瓷--碳化鉻鋁，可以減緩裂紋的傳播，甚至可以治愈它們。

早在2018年，日本國立材料研究所和橫浜國立大學(xué)組成的研究小組（NIMS-YNU研究小組）曾在晶粒邊界處添加了一種愈合活化劑，使得陶瓷能夠在飛機(jī)發(fā)動機(jī)高達(dá)1000°C的工作溫度下，在短短一分鐘內(nèi)將裂縫完全愈合。

裂紋愈合過程

有時由于物質(zhì)的擴(kuò)散或反應(yīng)物的填充，壓痕中心的菱形區(qū)域也會逐漸變淺，甚至完全被填滿，如Si₃N₄、SiC陶瓷裂紋愈合過程中生成SiO₂促使菱形區(qū)域最終完全被填滿。

自愈合陶瓷材料

其實，在科研界，很久之前就有了關(guān)于陶瓷材料的自愈合的研究。在20世紀(jì)70年代，一些材料的自愈合性能相繼被發(fā)現(xiàn)，例如ZnO、Al₂O₃、UO₂和MgO等列。此后，SiC、Si₃N₄、Si₃N₄/SiC、Al₂O₃／SiC等材料陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)具有裂紋自愈合能力。

1、Al₂O₃基陶瓷

國內(nèi)外眾多學(xué)者已對Al₂O₃基陶瓷刀具材料進(jìn)行了大量研究。Ando等人研究了在1300°Ｃ愈合1ｈ條件下不同裂紋尺寸的Al₂O₃- SiC陶瓷試樣抗彎強度的變化。其研究發(fā)現(xiàn)裂紋尺寸小于200μm的試樣能夠?qū)崿F(xiàn)抗彎強度的完全恢復(fù)。Al₂O₃- SiC納米復(fù)合陶瓷能愈合長度不超過250nm、深度不超過100μm裂紋。在1273－1773K溫度下，Al₂O₃- SiC復(fù)合陶瓷在氧氣分壓大于50Pa時，陶瓷裂紋試樣的強度得到完全恢復(fù)。

2、Si₃N₄基陶瓷

Koji Takahashi等人對不同愈合溫度條件下Si₃N₄/SiC陶瓷材料的裂紋自愈合現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)愈合處理后Si₃N₄/SiC陶瓷材料具有較高的抗彎強度和靜態(tài)疲勞強度。

3、金屬陶瓷及其他陶瓷材料

Jia Lin等人研究發(fā)現(xiàn)ZrO₂纖維和SiC晶須增韌ZrB₂基陶瓷在1200°Ｃ時呈現(xiàn)出最佳的裂紋愈合行為，試樣表面裂紋由ZrO₂和SiO₂填充，在最佳愈合條件下愈合后試樣強度比拋光試樣的強度高95MPa。另有研究者等人發(fā)現(xiàn)TiB₂/SiC多孔陶瓷的裂紋自愈合機(jī)理是氧化反應(yīng)生成B₂O₃和SiO₂玻璃相來填充裂紋，愈合后多孔陶瓷材料的抗彎強度得到了一定恢復(fù)。

結(jié)束語

近年來，許多研究者們發(fā)現(xiàn)MAX相陶瓷能夠在相對較低的熱處理溫度條件下實現(xiàn)裂紋的自愈合，M_n+1AX_n相陶瓷是一種三元層狀結(jié)構(gòu)且具有較好裂紋愈合能力的陶瓷材料。

據(jù)了解，此次德克薩斯農(nóng)工大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究所涉及的正是MAX陶瓷，它們是由交替的材料層組成的。這種結(jié)構(gòu)使它們具有愈合能力，其背后的機(jī)制也在地質(zhì)學(xué)中發(fā)揮作用。當(dāng)裂縫開始時，在不同的層之間會形成稱為“扭結(jié)帶”的缺陷。在壓力作用下，“扭結(jié)帶”中的晶體會旋轉(zhuǎn)，這有助于阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)散。更妙的是，這些旋轉(zhuǎn)的晶體還能主動愈合裂縫，因此一旦材料上的力被解除，它們就幾乎無法被察覺。

更令人感到神奇的是，與以往的研究不同，此次研究的陶瓷自愈合過程是在室溫下完成的，而且此自愈機(jī)制可以一遍又一遍地關(guān)閉新形成的裂縫，從而延遲材料的失效。

參考來源：

[1]研究人員在某種類型的陶瓷中發(fā)現(xiàn)一種以前未知的自我修復(fù)機(jī)制.cnBeta

[2]自愈陶瓷最新研究突破：可在一分鐘內(nèi)將裂紋完全愈合！.材料科技在線

[3]楊道媛.陶瓷材料裂紋愈合研究進(jìn)展

[4]李明爽.裂紋自愈合陶瓷刀具的研制

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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