陶瓷是个多晶体，但是陶瓷的性能并不是多个晶体的叠加，这里面有两个主要因素在起作用：晶界和界面。

晶界和界面实际上是两个完全不同的概念，因为里面分别是grain boundary 和interface。陶瓷学里面更多把晶界当作一个相态来对待，和晶粒是平等的。界面的定义不知道如何说才准确，应该是两相接触的平面。晶界一般厚度在几个纳米的尺度，薄的只有几个原子的距离。晶界作为一个相必然具有相组分，因为组分的不同所以晶界相和晶粒之间还存在界面。所以如果准确的说明陶瓷的微观结构，那么就要把晶粒，晶界和界面都要包含进去。这三个元素就像串联电路一样分布在陶瓷之中。

结构陶瓷里面研究晶界相的一个最主要的问题就是它的强度和韧性，如果他的强度比界面强度弱，可以想象断裂的时候裂纹会在晶界相里面扩展，如果比晶粒强度还要强，那么裂纹就会从三叉晶界处撕裂晶粒，这就是我们常说的穿晶断裂。反过来，如果晶粒强度比较大，或者说键能比较高，那么裂纹只有沿着晶界相或者界面的轨迹走，我们观察断裂表面的话就能够看见一个个完整的晶粒外部形貌，这就是所谓的沿晶断裂。如果水立方外表面是因为断裂所致，那么就属于穿晶断裂。

陶瓷的强度主要取决于这三者的强度（先不考虑气孔等因素），所以当我们制备出了高强度的结构陶瓷，需要研究的就是这里面那个因素起了主要作用，原因是什么。反过来，陶瓷材料设计也就是通过调控这三者的成键，组分，物理性质以及残余应力等获得优异材料性能的工艺和配方。

如果就陶瓷增韧这个角度来说，我们当然希望断裂时裂纹在陶瓷体内跑的路越多越好，如果外界做功（碰撞）的能量在短时间不能弥散和吸收，那么就会形成裂纹聚集和生长，微裂纹演变为宏观裂纹，裂纹尖端应力倍增，最终样品断裂。如果要裂纹扩展的途径增加，就不应该让它穿晶断裂，而应该是沿晶断裂，当然这里面还有一个界面能计算的问题，我们总是希望晶界和陶瓷的界面的界面能和晶粒内部产生新界面的界面能相差不要太大，至少在一个数量级里面。

一个新问题冒出来了，如果韧性很好的陶瓷是沿晶断裂的，这个裂纹到底是沿着晶界界面走的，还是从晶界内部走的呢？理论计算可以初步判断是界面断裂强度大还是晶界相内部的键能高，这完全取决于晶界相的组分和晶体结构，还有界面处界面相和晶粒原子是如何化学键合的。即便计算出来，实验上要观察还是非常困难，因为晶界相的尺度太小，用常规透射电镜无法观察。He MY等提出一个线弹性裂纹偏转模型，这个模型可以解释什么时候裂纹是沿晶断裂还是穿晶断裂。如果晶界相和晶粒弹性模量相差比较小的时候，穿晶断裂情况会比较多，在裂纹尖端方向和晶粒垂直的时候最为突出。相反的情况下，如果弹性模量相差比较大，也就是相同应力下应变量不一样，那么裂纹会因为这个切向的应力而偏转，因此沿晶断裂的几率就大大增加了。

实验表明碳化硅陶瓷如果加入稀土元素，这些稀土元素一般会偏析在晶界上。理论计算表明稀土元素会提高晶界相的弹性模量，稀土原子越小弹性模量增加越多，和碳化硅晶粒的弹性模量相差就越小。因为此，稀土元素掺杂的碳化硅陶瓷韧性一般都会比较差，因为穿晶断裂模式占了主要部分。原子半径越大，材料的韧性反而得到提高。最近伯克利洛仑兹国家实验室的科学家（R.O.Ritchie等，Nano Letters, 2008, ASAP）利用电子能量损失普和纳米束能量分散谱仪分析了碳化硅断裂表面的元素分布，结果发现稀土元素在边界上的分布并不是均匀的，而是或者没有或者富集。这说明断裂模式是从晶界相和晶粒的界面处撕裂开的，而不是从晶界相内部通过。也从实验证明了沿晶断裂确实是和晶界相和晶粒的物理性质差别有很大的关系，而不是单纯的晶界相起作用。

当然，这个实验结果只证明了碳化硅陶瓷一个范例，对于其他陶瓷材料来说，不同的添加物形成不同的晶界相，情况愈加复杂。但是基本的考虑思路都是一样。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自黄庆科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-2317-36212.html

上一篇：感动奥运之四 你不是和一个人在战斗
下一篇：加州笔记之六 陶瓷学科中的电纺技术