與其他材料相比，陶瓷具有高的熱穩(wěn)定性、耐磨性和優(yōu)異的拉伸特性。這些特性使其成為尖端結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的首選材料，如高速銑削設(shè)備、醫(yī)療儀器和系統(tǒng)、汽油部件、航空部件和高壓電池。陶瓷還用于公共交通系統(tǒng)和電力儲存。

然而，市售陶瓷的質(zhì)量與下一代應(yīng)用所需的屬性之間仍然存在不匹配。陶瓷由于其離子鍵和共價鍵可能開裂，導(dǎo)致高缺陷敏感性和低耐久性。因此，陶瓷行業(yè)需要更多的抗損傷材料，因此開發(fā)先進的陶瓷材料至關(guān)重要。

對于先進的陶瓷基復(fù)合材料，通常需要增韌來提高效率和耐久性。增韌技術(shù)可分為兩類：內(nèi)部增韌和外部增韌。內(nèi)部過程對斷裂起始韌性的影響最為顯著，因為它們在裂紋尖端之前起作用。相反，外部機制對裂紋擴展阻力影響很大，因為它們在裂紋尖端后部起作用。

傳統(tǒng)陶瓷增韌技術(shù)

顆粒分散增韌、相變增韌、晶須增韌和協(xié)同增韌是工業(yè)中使用的一些傳統(tǒng)陶瓷增韌技術(shù)。顆粒分散增韌是通過第二相納米顆粒（包括金屬基體相和陶瓷相顆粒）的適當(dāng)分布來抑制裂紋的萌生和擴展。

相變增韌通過微調(diào)陶瓷結(jié)構(gòu)以在環(huán)境溫度下產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變來提高陶瓷材料的硬度。晶須/纖維增韌通過將高模量晶須加入陶瓷相來增加基體的韌性。

通過使用幾種增強材料，協(xié)同增韌也可以提高基體韌性，因為多種增韌技術(shù)的結(jié)合比單一方法產(chǎn)生更好的效果。

新型陶瓷增韌技術(shù)

雖然顆粒分布、相變和片狀硬化等傳統(tǒng)技術(shù)可用于陶瓷增韌，但這些方法通常會對復(fù)合材料的耐久性和強度產(chǎn)生不利影響。因此新型陶瓷增韌技術(shù)應(yīng)運而生。

納米纖維增強、碳納米管增韌、原位自增韌和層狀結(jié)構(gòu)增韌是新型增韌工藝的典型案例。納米纖維增強通過在納米尺度上引入第二相，極大地提高了陶瓷復(fù)合材料的韌性。

碳納米管增韌是一種利用碳納米管作為增強材料來提高陶瓷基體韌性的技術(shù)。碳納米管具有較大的長徑比和顯著的熱物理特性，從而顯著提高了韌性。原位自增韌方法試圖使用自增韌元素（如擴展晶粒、分形晶粒和纖維）來增加陶瓷相的硬度。

層狀結(jié)構(gòu)增韌通過在頂層產(chǎn)生壓縮力和利用陶瓷顆粒相鄰層之間的膨脹系數(shù)差改變層間分散來增加陶瓷相的強度。

隨著納米材料和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，強韌陶瓷的研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的增韌發(fā)展到新概念的增韌。石墨烯由于其微小的尺寸、固有的二維薄片組成、高豐度和環(huán)境友好性，已成為最有潛力的陶瓷強化材料。

最近發(fā)表在《今日材料物理學(xué)》雜志上的一項研究側(cè)重于開發(fā)仿生、極硬的四元納米復(fù)合材料，來提高陶瓷基復(fù)合材料的韌性。在這項研究中，研究人員使用石墨烯，采用自下而上的結(jié)構(gòu)策略，在陶瓷相內(nèi)部設(shè)計和開發(fā)跨越多個尺寸的復(fù)雜設(shè)計。通過組合成分和層壓結(jié)構(gòu)方法建立了多階段增韌方法，以實現(xiàn)先進陶瓷復(fù)合材料的最高性能。

結(jié)論與展望

在不同的時間和空間尺度上，所有建議的宏觀-微觀-納米多級增韌過程成功地分散了能量，轉(zhuǎn)移了施加的載荷，減輕了局部高壓，在不損失納米復(fù)合材料剛度的情況下提高了斷裂韌性。

為了生產(chǎn)一種改進的陶瓷納米復(fù)合材料，這些發(fā)現(xiàn)集中于仔細設(shè)計和選擇材料的重要性，以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致機械效率提高的重要過程。高性能石墨烯增韌陶瓷基復(fù)合材料研究通過成功開發(fā)從納米尺度到宏觀尺度的增韌方法，為開發(fā)用于光電子、信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、航運、醫(yī)療保健、國防和太空旅行的硬質(zhì)陶瓷材料提供了合適的方法。(作者錢鑫博士）

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