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(chǔ)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(jià)鍵可能開(kāi)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(kāi)發(fā)先進(jìn)的陶瓷材料至關(guān)重要。

對(duì)于先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料，通常需要增韌來(lái)提高效率和耐久性。增韌技術(shù)可分為兩類(lèi)：內(nèi)部增韌和外部增韌。內(nèi)部過(guò)程對(duì)斷裂起始韌性的影響最為顯著，因?yàn)樗鼈冊(cè)诹鸭y尖端之前起作用。相反，外部機(jī)制對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力影響很大，因?yàn)樗鼈冊(cè)诹鸭y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?cè)鲰g、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(guò)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(lái)抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展。

相變?cè)鲰g通過(guò)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(lái)提高陶瓷材料的硬度。晶須/纖維增韌通過(guò)將高模量晶須加入陶瓷相來(lái)增加基體的韌性。

通過(guò)使用幾種增強(qiáng)材料，協(xié)同增韌也可以提高基體韌性，因?yàn)槎喾N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(huì)對(duì)復(fù)合材料的耐久性和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。因此新型陶瓷增韌技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

納米纖維增強(qiáng)、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(qiáng)通過(guò)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(qiáng)材料來(lái)提高陶瓷基體韌性的技術(shù)。碳納米管具有較大的長(zhǎng)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(kuò)展晶粒、分形晶粒和纖維）來(lái)增加陶瓷相的硬度。

層狀結(jié)構(gòu)增韌通過(guò)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(lái)增加陶瓷相的強(qiáng)度。

隨著納米材料和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，強(qiáng)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(qiáng)化材料。

最近發(fā)表在《今日材料物理學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究側(cè)重于開(kāi)發(fā)仿生、極硬的四元納米復(fù)合材料，來(lái)提高陶瓷基復(fù)合材料的韌性。在這項(xiàng)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(jì)和開(kāi)發(fā)跨越多個(gè)尺寸的復(fù)雜設(shè)計(jì)。通過(guò)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷復(fù)合材料的最高性能。

結(jié)論與展望

在不同的時(shí)間和空間尺度上，所有建議的宏觀-微觀-納米多級(jí)增韌過(guò)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(jìn)的陶瓷納米復(fù)合材料，這些發(fā)現(xiàn)集中于仔細(xì)設(shè)計(jì)和選擇材料的重要性，以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)械效率提高的重要過(guò)程。高性能石墨烯增韌陶瓷基復(fù)合材料研究通過(guò)成功開(kāi)發(fā)從納米尺度到宏觀尺度的增韌方法，為開(kāi)發(fā)用于光電子、信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)、醫(yī)療保健、國(guó)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(qián)鑫博士）

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