引言：陶瓷材料是目前国际上竞争激烈的高技术领域之一，对其进行深入的研究和探索，不仅具有重要的学术价值，而且对国防工业和国民经济发展都具有重大意义，一般陶瓷材料在室温和高温下都有强度、弹性模量大、热稳定性好、化学稳定性和电绝缘性优良、硬度高、耐磨性好、重量轻、价格低廉、资源丰富等，易于产业化等优点，但是也有韧性低、脆性大等缺点，严重制约了陶瓷材料的应用，特别是在航空航天、国防工业中的应用。国家高技术研究发展计划(863计划)中对我国在结构陶瓷材料领域的研究目标是:针对大尺寸高强度陶瓷构件、耐高温陶瓷部件、形状复杂产品以及微细精密部件的创造的需要，研究结构陶瓷材料的成形、烧结、强韧化和加工技术及设备，为高性能陶瓷部件的低成本制造提供技术支撑，为结构陶瓷产业的形成奠定基础。因此，如何提高陶瓷强度，改善其脆性是就成为了陶瓷学家长期关注和研究的问题。近年来国内外广泛开展了对高强、高韧陶瓷的研究和应用，大大提高了其力学性能，取得了可喜的成果。

一.前言

1.功能材料

功能材料的发展历史与结构材料一样悠久，但是人们使用“功能材料”这一名词来描述它们还是近30年来的事情。功能材料的概念是由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士在1965年提出的后经日本各研究所、大学和材料学会的大力提倡，很快受到了各国材料科学界的重视和接受。这主要是由于高技术产业的发展所致。因为高技术体现了当代的最新科学技术成就，又是一个充满活力，不断创新和换代的新技术群，必然要求与之适应的各种新材料，尤其是新型功能材料。例如，航天空间技术、海洋开发技术、生物医学工程技术等尖端技术的开发，迫切要求与之适应的新型结构材料和特种功能材20世纪60年代，随着微电子工业的发展，促进了半导体材料的迅料。70年代的“能源危机”，促使各国开发新能源和研制储能材料高速发展。激光技术的出现，使光学材料、光电子材料面貌为之一新。20世纪60年代来，一场以高技术为中心的新技术革命，在欧美和日本等国兴起，并迅速波及世界各国和地区，新技术革命的主要标志就是新型材料、信息技术和生物工程技术。

总之，由于高技术发展的需要，强烈刺激现代材料向功能材料方向发展，使得新型功能材料异军突起，其进展之速令世人瞩目，赋予高技术以新的内涵，促进了各种高技术的发展和应用的实现。

功能材料种类繁多，涉及面广，迄今还没有一个公认的分类方法。目前主要是根据材料的物质性，或功能性、应用性进行分类,根据材料的物质性进行分类：

金属功能材料；无机非金属功能材料；有机功能材料；复合功能材料。

2.功能陶瓷材料

随着现代通讯、计算机、微电子、激光、机器人制造、生物工程以及核技术等高科技领域的飞速发展，对于功能陶瓷的要求愈来愈高。作为无机非金属材料重要组成部分的功能陶瓷、电子陶瓷已经逐步成为高技术发展的重要关键材料。因此，研究开发功能陶瓷已引起世界各工业先进国家的高度重视。

功能陶瓷的分类:

表一:功能陶瓷材料分类

 3. 高强陶瓷

要了解高强陶瓷，首先必须对经常用来表征高强陶瓷性能的几个概念有所了解:

(1) 陶瓷材料的弹性

陶瓷弹性模量比金属大得多，这时因为陶瓷一般都具有较强的离子键和共价键；弹性模量不仅与结合放强度有关，还与陶瓷的相种类、分布比例及气孔率有关

(2) 陶瓷材料的塑性

晶体体材料中的塑性变形有两种基本形式，即滑移和孪生，而滑移最为常见。所谓滑移是在外力作用下晶体一部分相对另一部分发生平移滑动。这种滑动有方向选择件，一般沿最密排面网方向进行。按位错理论，滑移是通过位错的运动来实现，宏观理塑性变且微观大量位错运动的结果。要说明塑性本质，必须从位错运动的难易程度出发。位错越易运动，材料塑性越大，反之则脆性越大。

(3) 陶瓷蠕变

材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象称蠕变。

(4) 陶瓷材料的断裂

断裂前不发生明显的宏观塑性变形称为脆性断裂，反之为韧性断裂。陶瓷材料属脆

性材料，主要表现为脆性断裂。

二．典型的高强陶瓷材料

高强陶瓷是一大类非氧化物与某些氧化物局温烧结成型的新型无机比金属材料，如氮化硅、碳化硅、硅—金属—氧—氮、氧化铝、氧化锆等。它是许多新技术中的关键，其应用研究的最大课题是开发高效发动机和燃气机。对高强陶瓷的要求是：（1）在大气中于1200℃以上高温环境下放置1000h后应满足同样环境下的可靠性（维伯尔系数m>20）和强度（评价抗拉强度σ>249Mpa）；（2）在大气中1200℃高温环境下蠕变实验应满足1000℃耐用性（蠕变强度σ>98Mpa）。

1.Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷是强共价键材料，有较高原子结合强度。元素N的自扩散系数小，在1600℃下为10-19cm2/s，因此高温下几乎不变形。它与氧化物和碳化物相比热膨胀系数低，热传导率高，故耐热冲击性能好，机械强度在高温下很少下降。

Si3N4陶瓷的成型方法有反应烧结法和热压烧结法两种。

2.SiC陶瓷

SiC陶瓷体中，Si与C原子之间以共价键结合。它有两种变体，α- SiC属六方体结构，在高温下市稳定相：β-SiC属等轴结构，在低温下是稳定相。β相向α相转变温度为2100℃~2400℃。

SiC陶瓷的成型方法也分反应烧结法和热压烧结法。因SiC难于烧结，故必需加烧结促进剂，然后将粒度约为1µm左右的原料用注浆、干压或等静压成型，于2100℃烧结，气孔率约为10%。用热压法的产品，起密度可达到理论密度的99%以上。

3.部分稳定ZrO2

纯氧化锆(未稳定的)在空温至其熔点之间表现为三种结晶结构。室温时为单斜相，在1100℃由单斜相转变为四方相，最后于2370℃转变为立方体结构。

三．陶瓷的强化

陶瓷强化方式有细晶强化、晶界强化、相变强化及复合强化等多种。

1.细晶强化

陶瓷材料显微结构由晶相、玻璃相和气相组成，晶相是主要组成相，对陶瓷性能往往起决定作用。晶粒大小对陶瓷强度影响很大，要通过致密化或控制显微结构(晶粒尺寸、晶界、气孔率等)提高陶瓷性能，首先要考虑原料粉末的质量。实验表明，要获得高密度、高强度陶瓷结体，就要使粉体粒径尽量小，常用几微米高纯度微细粉料，粉料越细，表面活性越大，有利于离子表面扩散和晶界扩散，有利烧结。

2.晶界强化

陶瓷的晶界现象对陶瓷的断裂强度、韧性、塑性变形、高温蠕变等力学性能都有重大影响。通过改变陶瓷界面行为可改善陶瓷材料的高温力学性能，即晶界强化。

晶界强化的有效方法是通过热处理使晶界玻璃相结晶。

3.相变强化

通过控制陶瓷体内的相变强化陶瓷的方法称为陶瓷的相变强化。相变强化不但可以增强，还可以增韧。

4.复合强化

由粒子、纤维复合强化的陶瓷（指力学强化），随强化相不同将具有不同的力学性能，如碳纤维/石英玻璃复合材料的强化比石英玻璃本身增大11倍，断裂功增大两个数量级。纤维复合强化方式有一维、二维及三维复合强化，此外还有加入晶须、与金属复合等多种强化方式。

四．国内外研究现状及动向

目前，欧洲、美国和日本研究开发的重点都是氮化硅、碳化硅系和部分稳定锆系高强陶瓷，但具体开发目标和方式却各不相同。欧美开发目标多以军事和宇航为主，且侧重于提高设备性能和通过官方科研机构实施开发计划。日本则以节约能源为主，侧重于基础技术的开发和研究，并以民用为主和通过企业来实现开发计划。

国内发展现状：

1.“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”

由西北工业大学张立同教授项目组完成的“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”获得了2004国家技术发明奖一等奖，此项目利用化学气相渗透(CVI)结合反应性熔体渗透(RMI)制造工艺为核心,突破了制造设备与工艺技术15项关键技术,并有重要创新。建立了完整的制造技术体系,生产周期相当于国外工艺的1/5～1/10,而成本比国外低1/3。经过了5年1000多炉次的批量生产考核,研制了3000多根试样和160余件构件,进行了2000多个数据的性能测试。多种构件成功进行了试车考核应用,填补了国内空白。解决了国际上尚未解决的环保和生产周期长的难题,具有高性能、低成本、稳定可靠和适应性强等特点,整体制造技术跻身国际先进行列,材料的综合性能处于国际领先水平。碳化硅陶瓷基复合材料是一种耐高温、低密度热结构复合材料,可以满足1650℃以下长寿命、2000℃以下有限寿命、3000℃以下瞬时寿命的使用要求。

2.其它陶瓷材料增强技术，例如：碳纳米管增韧超细Ti(C，N)基金属陶瓷。碳纳米管的加入使超细Ti(C，N)金属陶瓷的断裂韧性提高29.4%～62.7% ，碳纳米管增韧机制为裂纹偏转和桥接增韧、无芯晶粒增韧及微孔洞增韧。