碳化物陶瓷材料具有硬度高、密度低、弹性模量大、耐化学腐蚀能力强等优异性能，在航空航天、新能源、核工业以及军事工业中有着广泛的应用需求，但其固有的脆性问题严重影响了其规模化应用，因此碳化物陶瓷材料的强韧化研究意义重大。

各类碳化物陶瓷制品

碳化物陶瓷脆性大的原因

碳化物陶瓷材料脆性大、断裂韧性差的特性主要与其化学键种类有关。以SiC和 B₄C陶瓷为例，SiC晶体中占总键能78%的Si-C键是共价键，B₄C晶体中B-B、B-C共价键占比高达93.94%，这两种陶瓷均属于典型共价键化合物。共价键具有很强的方向性和很高的结合能，在使陶瓷拥有高硬度、高熔点、高化学稳定性的同时，也导致了烧结过程中原子自扩散系数较小、晶界迁移阻力大，难以实现致密化烧结的问题。

碳化硼晶体结构（左）、碳化硅晶体结构（右）

另外，碳化物陶瓷材料具有共价键占比很高的晶体结构，陶瓷晶体中位错等滑移体系含量较少，宏观表现为材料很难产生塑性变形；应力一旦在微裂纹等缺陷处集中，极易发生扩展，导致材料断裂。

采用层状结构提高碳化物陶瓷断裂韧性

提高陶瓷材料强韧性的主要途径有两种：

（1）减少材料内部原始裂纹缺陷的数量和尺寸，减缓裂纹尖端的应力集中；

（2）通过添加增韧相提高材料的断裂能，增大抵抗裂纹扩展的能力。

目前，碳化物陶瓷增韧的主要方法有相变增韧、微裂纹增韧、纤维及晶须增韧、颗粒弥散增韧等。尽管这些方法可以有效地缓解或抑制裂纹扩展，提高陶瓷材料的断裂韧性，但是由于微裂纹、晶须、颗粒等的尺寸与基体晶粒的相当，且增韧作用区域有限，材料强韧性提高并不明显；并且这些方法还存在实用化陶瓷/纤维体系较少、生产工艺复杂、制备成本较高等缺点，实用性均较差。

纤维增韧机理

于是，有研究者采用仿生设计原理制备层状结构陶瓷，能使传统的脆性陶瓷材料具备高缺陷容忍性和高能量吸收能力，从而满足耐热、抗冲击等综合使用性能的要求。

碳化物层状结构陶瓷采用一种新型仿生结构设计，模拟了自然界中贝壳的显微组织结构，在高硬度和高脆性的陶瓷层间夹入低硬度或韧性较高的材料层（通常称之为软层、夹层或界面层）并交替层叠而成。

仿贝壳层状结构

界面层的存在和性能是影响层状陶瓷强韧性的决定性因素，目前常用的界面层材料包括硬度较低、弹性模量较小的BN和石墨层，延展性较好的铝、钛、钨等金 属层以及具有一定强度的多孔SiC、Si₃N₄等陶瓷层。

通过对界面层组分进行精细复合设计，可以实现界面/基体的热膨胀系数、弹性模量、应力等的兼容匹配。这使得材料在承受弯曲或冲击载荷时具有转移、消耗和吸收能量的能力，从而极大地改善碳化物陶瓷的强韧性，避免突然的整体失效，提高碳化物陶瓷的断裂韧性和应用可靠性。

碳化物层状结构陶瓷的增韧作用机理

目前，碳化物层状结构陶瓷的制备工艺包含成型和烧结两个关键技术，通常先采用轧膜成型、流延成型、注浆成型等工艺制备结构陶瓷基片，再采用浸涂、喷涂等方法将夹层材料涂覆在基片上，或将夹层材料制备成薄片层叠在基片上，最后采用热压或常压烧结工艺制得层状结构陶瓷。

碳化硅陶瓷片

碳化物层状结构陶瓷的强韧化与裂纹沿界面层的偏折关系很大。

当外加载荷导致致密基体层开裂时，由于界面层对裂纹的偏折作用，裂纹沿层间界面扩展；当载荷继续增大时，裂纹转向，垂直于界面方向扩展；当致密基体层失效后，裂纹到达下一界面处时再次发生偏折。这一过程重复发生，直至材料最终断裂。这一过程能有效避免碳化物陶瓷的突发性断裂行为，提高碳化物陶瓷的韧性。

另外，以延展性良好的金属或树脂作为界面层，不仅可以通过变形吸收层状材料破坏时的能量，延长裂纹扩展路径，还能在基体层发生断裂后起到桥联作用，延缓裂纹扩展。但利用金属或树脂作为界面层制备层状结构陶瓷的技术难点在于烧结温度的控制：温度过低，较难实现陶瓷的致密化烧结；温度过高，又会导致金属与基体发生反应或者树脂的烧失，不能发挥塑性吸能和裂纹桥联作用。

层状结构材料界面

总结

碳化物层状结构陶瓷依靠各组分和层状结构的协同作用抵抗冲击载荷造成的破坏，其断裂失效不再是传统的一次脆性断裂，而是出现了逐层渐变、“类塑性”特征。因此，层状结构成为碳化物陶瓷强韧化的研究重点。但由于层状结构陶瓷的研究起步较晚，在界面行为、性能表征、制备等方面仍然存在不足，需要深入研究。

参考来源：

1.碳化物层状结构陶瓷的制备和强韧化研究进展，史秀梅、张立君、郑阳升、程英晔、王强、张乐、郑顺奇、史戈平（机械工程材料）；

2.B₄C-W₂B₅复合陶瓷的原位反应制备及其强韧化机理，潘登、李树丰、张鑫（陶瓷学报）；

3.SiC基层状复合材料界面层的选择，袁广江、罗永明、陈大明（硅酸盐学报）。

粉体圈小吉

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。