中國粉體網訊 2023年12月20日，由中國粉體網主辦的“2023第六屆新型陶瓷技術與產業高峰論壇”在湖北宜昌成功召開！在大會期間，中國粉體網邀請到多位專家學者做客“對話”欄目，與各位專家大咖就行業前沿技術、研究熱點、科技成果轉化及行業發展前景等方面進行了訪談交流。本期，我們邀請到“對話”欄目的是華南理工大學饒平根教授。
中國粉體網：饒教授，陶瓷材料斷裂韌性是怎么測定的？有哪些因素影響其斷裂韌性？
饒教授：斷裂韌性是先進陶瓷的一個非常重要的力學指標，它是衡量脆性的指標，也是陶瓷的固有性能。那么評價陶瓷斷裂韌性的方法有很多種，但是要測準陶瓷的斷裂韌性，前提是需要預制出一條非常尖銳的裂紋出來，目前我們傳統的主要評價方法是有四個，各有優缺點。
第一個方法是SENB法，也是非常常用的一種方法，該法是利用金剛石刀片切出一個U型槽，值得注意的是，那個不是裂紋，它只是一個有一定寬度的U型槽，但由于切口鈍化效應，這會造成測量的斷裂韌性普遍偏高。
第二個方法是IM法，該法是在測維氏硬度的同時，也能給出斷裂韌性，雖然這種方法很簡單，但是這種方法的評價可靠性非常低。因為IM法的力學計算理論體系不完善，關于它的計算公式就有大概30多個，所以，后來有學者認為這種方法不可靠。
第三種方法是SEPB法，這個方法的初衷是很好的，它是在試樣上先預制一個初始裂紋，然后通過疲勞載荷或橋壓法使其擴展形成滿足測試要求的裂紋，再測量樣品的斷裂韌性。但在實際操作中很難控制：第一是否能預制出來；第二是能預制出來后其長度很難控制。雖然有國際標準和國內標準中有用這個方法，但是沒有實際操作的意義。
第四種方法是SEVNB法，它是用金剛石刀片先切出一個槽，然后再用飛秒激光刻出一個尖銳的V型切口（小于0.5μm），相比于目前絕大多數結構陶瓷的粒徑尺寸還要小，這樣可以很準確地評價陶瓷的斷裂韌性。
目前來說在這四種方法中，前面三種方法在評價先進陶瓷的斷裂韌性值時，要么偏高，要么評價不準確，要么就是操作困難。而我們研發改良的SEVNB法利用飛秒激光器來進行預制超尖V切口，可以準確評價陶瓷的斷裂韌性，但是唯一的缺點就是飛秒激光器比較昂貴，所以一般可能就是企業研究或高校來使用。所以，我做這個工作就是提供SEVNB法與SENB測得的斷裂韌性擬合公式作為參考，企業或研究機構可以根據結果來進行研發。
中國粉體網：在實際應用中，Y-ZrO2的斷裂韌性值在以往的報道中具有較大差異，造成這種情況的原因是什么？
饒教授：這個問題提的很好，在報告中我們也提到。Y-ZrO2在以往的報道中，包括放在10年前，我都認為氧化鋯的斷裂韌性超過10MPa·m1/2，這也是大家公認的，雖然這個值可能會偏高一點，但是到底偏高多少，沒人能給出準確答案。目前3Y氧化鋯（3mol%Y2O3）是最常用的Y-ZrO2，包括現在的氧化鋯球、義齒、智能穿戴等用的都是3Y的，其真實的斷裂韌性只有4.5MPa·m1/2，與之前大家公認10MPa·m1/2相比差距很大。為什么會引起這么大的差異？關鍵就在于氧化鋯是一個細晶材料，一般像手機背板用2.5Y的，晶粒尺寸差不多在0.5μm左右，而用SENB法切槽評價斷裂韌性值明顯偏大。為什么評價結果偏大？是因為用金剛石刀片切完之后，它只是切出一個槽不是裂紋，在測試過程加載中要誘發裂紋，它需要很高的應力來誘發，這就必然會造成這種虛高的應力，最終導致計算結果偏高。那么，我們研發的利用飛秒激光預制出的裂紋來模擬材料實際的裂紋，可以準確評價其斷裂韌性值，因此差就差在這里。所以，這個數據出來之后，大家一片嘩然，原來氧化鋯還是一個脆性材料。實際上，氧化鋯的抗彎強度很高，大概在1.5GPa，不遜色于金屬，是目前為止在結構陶瓷中強度最高的一個材料，但它還是一個脆性材料。與常用的結構陶瓷，如氧化鋁、氮化硅、碳化硅相比，氧化鋯還是屬于脆性材料。
中國粉體網：對于提高Y-ZrO2基結構陶瓷的斷裂韌性，您有哪些建議或思路？
饒教授：在評價Y-ZrO2的斷裂韌性為4.5MPa·m1/2以后，我們在氧化鋯增韌方面也不斷努力著，在其中也做了很多的工作。Y-ZrO2的增韌主要是利用四方氧化鋯到單相氧化鋯的馬氏體相變，這個增韌機理大家已經熟知了。但是實際怎么增韌是難點，利用相變增韌的話，對于相變量而言，比如說，3Y的相變量很低，2.5Y是有一定相變量，到2Y，這個相變量很大，這種材料在實際應用中可能會有問題。若用2Y來做陶瓷手表或者手機背板，可能使用一段時間會出現暗裂，這是因為它的相變量很大，在下游應用中產品的使用壽命會受到影響，所以一般都不用2Y。
在這種情況下，我們是用把顯微結構復雜化的方法來進行增韌。因為Y-ZrO2主要是利用四方氧化鋯增韌，那么我們把顯微結構復雜化，里面有尺寸很大的立方氧化鋯，還有添加氧化鋁增韌。利用氧化鋁的高彈模量對裂紋起到阻止或者偏轉的作用；利用立方氧化鋯可以穿晶斷裂，一般四方氧化鋯除了相變，它是沿晶斷裂的。總的來講，就是利用多種增韌機理將氧化鋯的顯微結構復雜化，目前來看，我們利用這種方法可以將氧化鋯斷裂韌性增加到9.7，比之前3Y- ZrO2的測試結果增加了大概90%。另外，添加多種穩定劑來增韌也是一種方法，可以添加氧化鈰、氧化鎂等可以和釔元素共同作用。但是總的來講，想要將Y-ZrO2基結構陶瓷的斷裂韌性提高到非常高的水平，比如說接近鑄鐵的水平，還是有相當大的難度的，可以在此基礎上有所改善，但是陶瓷本身就是一個脆性材料。當時，我也評價了用連續纖維增強復合材料的斷裂韌性，其值可以到大于10MPa·m1/2，但是離金屬還是有很大的差距。
中國粉體網：饒教授，你認為國內陶瓷斷裂韌性評價方法現狀發展如何？
饒教授：確實在這10年來，我們投入了很多人力物力，包括投入了三個博士，七個碩士在做實驗評價、計算模擬。在斷裂韌性評價方面，無論是單一陶瓷材料還是復合陶瓷材料，我們在這方面基本已經做的差不多了。所以在這方面，我可以很欣慰的說，在陶瓷材料斷裂韌性評價方面我們處于國際領先水平，同時也得到了國內外同行的反饋和引用。目前，雖然我們研發了利用飛秒激光改良后的SEVNB法評價陶瓷的斷裂韌性值，實際上材料的斷裂韌性與裂紋是沒有什么關系的，但是與其顯微結構息息相關，所以，目前我們在從顯微結構、晶粒尺寸、添加第二相來做進一步的細化工作。當然，這方面我們也做差不多了，所以在整個陶瓷斷裂韌性評價方面，我們的團隊也付出了很大的努力，在這一塊再發展也很難。那么，下一步我們將會聚焦在可靠評價陶瓷斷裂韌性的基礎上，如何增韌？那么增韌的結果就反映在下游應用，可以擴大陶瓷應用范圍。但是在這方面來講，真的有很大的難度，因為陶瓷本身就是一個脆性材料，可能會有一定程度的提高，但是要明顯的提高，我也在努力，也希望國內外陶瓷人大家一起努力，我想目標不是很高，如果哪天能夠把Y-ZrO2的斷裂韌性值能達到像鑄鐵的斷裂韌性（~20 MPa·m1/2）的話，那也是相當不容易了。
中國粉體網：饒教授，您所研發的應用飛秒激光改良的SEVNB法測量陶瓷的斷裂韌性，這種設備價格昂貴，那么您認為目前方法除了在實驗研究之外有推廣的可能性嗎？
饒教授：在報告中，我們給出了不少擬合公式，研究機構或者生產企業采用SENB法測的值可以直接套用公式來獲得氧化鋯基結構陶瓷的真實值。若一個企業單獨買一臺飛秒激光儀器那是不現實的，而我們的方向就是在準確評價的基礎上模擬出系列的公式。當然，目前也有一些企業委托我們幫助他們做一些陶瓷材料的斷裂韌性的評價，因為做材料的斷裂韌性評價需要這個設備，也更需要這個技術，這些都是息息相關的。所以，在這方面我也很樂意幫助，也很高興能為這個行業做出自己的一份努力。
中國粉體網：好的，感謝饒教授今天接受我們的采訪，謝謝！
（中國粉體網編輯整理/空青）
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