２００４年　第　４　期

中　国　陶　瓷－２１－

性，还要考虑到基体和界面层本身的性质（如弹性模量、热膨胀系数、强度、韧性等）及两者间的物理、化学相容性、性能匹配性。设计弱夹层增韧Ａ１２Ｏ３陶瓷时要求所选达到弱夹层足以偏转裂纹但还要能够承受一定的压缩和剪切。

２．２制备工艺的选择

选择合适的制备工艺（包括成型、烧结、冷加工等），根据制备工艺的特点，优化工艺参数。如利用流延工艺制备层状陶瓷复合材料时，则应对显著影响浆料性能和成膜效果的分散剂、溶剂、ｐＨ值、固含量等因素进行优化设定。

２．３结构、几何参数的选择

层状复合陶瓷主要有基体结构单元和界面层组成，其强度主要由陶瓷基体层的强度决定，其韧性主要是由界面层对裂纹的偏析决定，另外基体与界面层的几何尺寸也对材料力学性能有一定的影响。因而需对基体单层、夹层的厚度和强度，界面粘接强度，层状复合材料的总层数、层厚及层厚比等因素进行优化。

①基体单层强度：Ｃｌｅｇｇ［２１］推导的三点弯曲测定表观断裂韧性的式子：

ｄ１表面层厚度；ｄ制品总厚度；Ｅ１、Ｋ１分别为中间基体层的弹性模量和断裂韧性。

实验发现λ值小于１．５，表面不会出现层裂现象λ值在１．５￣２之间，表面开始出现少量裂纹λ值大于２以后，表面层裂严重，该种材料不能使用。

⑥界面粘接强度：层状陶瓷界面粘接强度主要是指两相邻层的范德化力，而不提倡它们之间有化学结合力，因为过强的稳定化学键，无法体现层的特点不能通过脱层、摩擦对断裂能进行吸收。但过弱的粘接强度，会使层状复合陶瓷的各向异性增大，不能抵抗剪切应力，易遭破坏，也影响裂纹偏转，而优化设计的目的就是要求界面有合适的粘接强度。界面凹凸度对界面粘接强度的影响很大，它的增加能加大界面外层与层之间的接触面积和机械关联，抑制它们的相对位移，抑制靠近内层的蠕变，提高界面脱层强度。

目前，微机已广泛的应用于陶瓷复合材料的增韧设计中，郭香华等［２３］基于多层梁模型采用有限元数值模拟方法，利用微机模拟了仿生陶瓷叠层结构的断裂行为和裂纹逐次从硬层基片向弱界面层的拐折和扩展，后处理程序显示了三点弯曲试件的裂纹扩展路径、相应的裁荷—位移曲线和增韧效应，由此分析了叠层陶瓷的韧性和强度受试件硬软层层厚比、层数、断裂应变、Ｙｏｕｎｇ氏模量比等的影响变化趋势。

　σｆ单层强度；ｄ厚度ＣＮ开槽长度；Ｙ几何因子。由上式可知提高层状梁单体的强度可提高开槽梁表观断裂强度和韧性。

②基体单层厚度：单层厚度决定了裂纹扩展遭遇界面前的长度。较薄单层的优点是能较大幅度的弯曲，并将裂纹沿厚度方向分成更多的几段，提高了断裂韧性，但单层厚度并非越小越好，由于工艺条件的限制使层厚的均匀性无法精确控制，且使界面引入缺陷的几率增大。

③夹层厚度：一般夹层在一定厚度小范围内波动时，几乎对样品的表观断裂韧性和断裂功没有影响，而明显的波动，断裂方式将发生变化，断裂韧性也会显著减小。

④层厚比：为提高材料的力学性能不仅要考虑基体和夹层的厚度还要考虑二者的层厚比，黄奇良等［６］研究表明层厚比要适中，太大不利于提高复合材料的断裂韧性，过小则不利于提高其抗弯强度。

⑤层裂参数：陈蓓等［２２］制备了Ａ１２Ｏ３／ＺｒＯ２／Ａ１２Ｏ３

三层复合陶瓷，通过对表面层不同组分和表面厚度的系统研究和设计，分析了影响层裂的主要因素是层与层之间的应力过大造成的，其应力主要由热膨胀系数、烧结温度、弹性模量、厚度等因素决定，提出设计三层结构复合陶瓷的层裂参数λ（无量纲），其表达式为：

λ＝（ｄ１２　／ｄ）（Ｅ１ΔαΔＴ／Ｋ１）

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３　　　层状陶瓷复合材料常用的制备方法

层状复合陶瓷的成型工艺过程是整个制备技术的关键，目前常用的成型方法有：

（１）轧膜成型（Ｄｏｕｇｈ　Ｒｏｌｌｉｎｇ），将粉料与有机粘合剂（一般是聚乙烯醇）、溶剂等，置于两辊轴之间混练，使之充分混合均匀。随着溶剂逐步挥发，形成一层厚膜，叫粗轧。精轧则是逐步调近轧辊间距，多次折叠，反复轧练，以达到必须的均匀度、致密度、光洁度和厚度为止。此法使坯料只在厚度方向和前进方向受到碾压，在宽度方向缺乏足够的压力，使有机物分子和粉料都具有一定的定向排列，因此，干燥烧结时横向收缩大，坯体性能上会出现各向异性。

（２）流延成型（Ｔａｐｅ　Ｃａｓｔｉｎｇ）：也叫刮刀成型（Ｄｏｃｔｏｒ　Ｂｌａｄｅ　Ｃａｓｔｉｎｇ），将包含陶瓷粉和有机物的悬浮料浆铺展（用刮刀）或覆盖于载体上，根据要求调节刮刀高度控制层厚，除去有机物后，生坯被迭加成层后烧结。流延成型可以随意控制膜的厚度，利于不同组份和原度的膜材料进行设计和结构调控，以获得特殊的性能。

（３）注浆成型（Ｓｌｉｐ　Ｃａｓｔｉｎｇ）：同流延成型相类似，成型前通过调节浓度、ＰＨ值，来调节粘度，使浆料充分流动。所不同的是它无须有粘合剂，并可一步可成。常用的有离心注浆和连续注浆。

（４）模压成型（Ｄｉｅ　Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）：关键是如何形成单一层厚的层片，Ｈｕｉ　Ｗａｎｇ等［２４］在制备层状ＺｒＯ２／Ａ１２Ｏ３