仿生疊層陶瓷刀具的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

陳 聞，周后明，鄧建新，周 文

（湘潭大學機械工程學院，湘潭411105）

0 引 言

陶瓷材料因具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及密度小等諸多優(yōu)點，在能源、石油、化工、冶金、機械和航天航空等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。而采用特種陶瓷材料制成的陶瓷刀具，可以高效加工傳統(tǒng)刀具不能加工的材料，甚至可以實現(xiàn)“以車代磨”。制備陶瓷刀具材料的主要原料是地殼中最豐富的元素，因此，研究開發(fā)并推廣應(yīng)用新型陶瓷刀具，對提高生產(chǎn)率、降低加工成本、節(jié)省貴重金屬具有十分重要的意義。

現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展趨勢是高速化、精密化和自動化，這就要求切削刀具必須十分可靠。陶瓷刀具材料屬于典型的脆性材料，對缺陷十分敏感，其可靠性和可重復(fù)性差，這使得其在工程應(yīng)用中受到了很大限制。因此，改善陶瓷刀具的韌性，提高其切削加工時的可靠性是陶瓷材料和切削加工領(lǐng)域的研究重點［1-2］。近年來陶瓷刀具材料的增韌補強取得了一些進展，各國學者提出了多種增韌補強理論，如：顆粒增韌、相變增韌和晶須增韌等。其中顆粒彌散增韌陶瓷刀具的應(yīng)用較多，但其增韌幅度十分有限；相變增韌陶瓷刀具的增韌效果受切削溫度的影響較大；而晶須尺寸較小、增韌效果有限，且對人體有害，故晶須增韌方法未能得到廣泛應(yīng)用。所以研發(fā)新的陶瓷刀具材料增韌補強的方法，具有重要的應(yīng)用前景。

貝殼等天然生物材料具有良好的強韌性，這與其獨特的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。貝殼的珍珠層由高硬度的紋石片疊層累積組成，紋石片間存在韌性非常好的有機質(zhì)層，它們之間的界面對裂紋擴展具有偏轉(zhuǎn)作用，能使裂紋從應(yīng)力狀態(tài)有利的方向轉(zhuǎn)向不利的方向，從而使裂紋擴展的阻力明顯增大，基體因而得到韌化；同時，珍珠層發(fā)生變形與斷裂時，有機質(zhì)會發(fā)生塑性變形，從而降低了裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，增大了裂紋的擴展阻力［3-9］。貝殼中珍珠層的疊層結(jié)構(gòu)是其高斷裂韌性的根源。

基于貝殼等生物材料的啟示而制成的仿生疊層陶瓷是在脆性陶瓷層間加入不同材質(zhì)的較軟或韌性較好的材料層（通常稱之為夾層、隔離層或界面層）而制成的，這種結(jié)構(gòu)的材料在應(yīng)力場中是一種能量耗散結(jié)構(gòu)，能克服陶瓷突發(fā)性斷裂的致命缺點。其結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理是盡量減小材料力學性能對原始裂紋缺陷的依賴性，而使其成為一種對缺陷不敏感的材料，即一種耐缺陷材料［3-9］。仿生疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計不象其它強韌化方法那樣以犧牲部分強度來換取較高的韌性，而是使材料的強度和韌性同時得以提高。當材料受到彎曲或沖擊時，裂紋多次在有機質(zhì)層界面處受到阻礙而鈍化和偏折，有效減弱了載荷作用下裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)，使陶瓷的韌性得到極大改善。仿生疊層結(jié)構(gòu)的性質(zhì)取決于基體和夾層的結(jié)構(gòu)、特性、含量、層厚、間距以及它們之間的互溶度等。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者對Al2O3體系、SiC體系、Si3N4體系等三種仿生疊層陶瓷復(fù)合材料進行了綜述，并介紹了仿生疊層陶瓷刀具的應(yīng)用及性能，最后指出了當前存在問題和今后的發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1990年Clegg等［3］發(fā)現(xiàn)類似仿珍珠貝殼結(jié)構(gòu)的層狀結(jié)構(gòu)可以大幅提高陶瓷材料的斷裂韌性。此后，仿生疊層陶瓷復(fù)合材料迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)外許多學者都展開了仿生疊層陶瓷復(fù)合材料的研究工作。在幾種仿生結(jié)構(gòu)材料中，以類似貝殼、珍珠層疊層結(jié)構(gòu)的研究最為深入。仿生疊層陶瓷復(fù)合材料按主層材料劃分主要有三種：Al2O3體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料、SiC 體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料和Si3N4體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料。

1.1 Al2O3體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料

Al2O3體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料選用高硬的Al2O3陶瓷來模擬珍珠層的硬層，選用硬度較低、彈性模量較小的陶瓷（BN）、石墨或金屬鎳或鎢等來模擬珍珠層中的軟層。近年來，國內(nèi)外開展了許多這方面的研究，并突破了夾層是軟質(zhì)材料（如ZrO2，SiC，TiC，TiN，3Al2O3·2SiO2，Y-ZPT 和ZTA 等）的界限。Portu等［10-12］以ZrO2為基體層材料，以45% Al2O3＋ZrO2為表面層，按照圖1所示的流程制備出了Al2O3／ZrO2疊層陶瓷復(fù)合材料，其橫截面形貌如圖2所示，由于層間熱膨脹系數(shù)的差異在表面層形成了殘余壓應(yīng)力，使其抗彎強度和斷裂韌度分別從單體ZrO2材料的450 MPa和8.8 MPa·m1／2提高到682 MPa和16.2MPa·m1／2。

圖1 Al2O3/ZrO2疊層陶瓷復(fù)合材料的制備流程Fig.1 Preparation process of Al2O3/ZrO2laminated ceramic composite

圖2 Al2O3/ZrO2疊層陶瓷復(fù)合材料的橫截面形貌Fig.2 Cross section morphology of Al2O3/ZrO2laminated ceramic compostes

Tomaszewski等［13］用軋膜法制備了具有高性能的Al2O3／LaPO4疊層陶瓷復(fù)合材料，其沖擊韌度從Al2O3的36.2J·m-2和LaPO4的4.7J·m-2提高到了1 165.1J·m-2；Katsoki等［14］用軋膜法制得了Al2O3／3Al2O3·2SiO2疊層陶瓷復(fù)合材料；Both［15］等用流延法制得了Al2O3／ZrO2疊層陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌度為5.3 MPa·m1／2；Bermejo等［16］制 備 了Al2O3-5%t-ZrO2／Al2O3-30%m-ZrO2疊層陶瓷復(fù)合材料，研究了厚度比對其殘余應(yīng)力、強度和韌性的影響；曾宇平等［17］利用流延成型工藝，熱壓燒結(jié)制備了層狀A(yù)l2O3-TiB2復(fù)相陶瓷材料，其抗彎強度和斷裂韌度分別為570 MPa 和5.64 MPa·m1／2；張 志 強 等［18］制 備 了Al2O3-ZrO2云母片層狀復(fù)合材料，其抗彎強度與塊體Al2O3材料的基本相同，但斷裂韌度卻比塊體Al2O3材料的提高了60%，達到了5.3 MPa·m1／2。

1.2 SiC體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料

對SiC體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料的研究進行得較早，1990年，Clegg等［3］以SiC 為 硬 層、石 墨 為軟層，制備了SiC／C 疊層復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)能有效提高SiC陶瓷的韌性，復(fù)合材料的斷裂韌度和沖擊韌度分別為17.7 MPa·m1／2和6 152J·m-2，分別比SiC單體的提高了4倍和上百倍；張永俐［19］以鋁為軟相，通過熱壓燒結(jié)制備了SiC／Al復(fù)合材料，其斷裂韌度較增韌前提高了2～5倍；羅永明等［20］制備了SiC／W 疊層陶瓷復(fù)合材料，在保持其強度不變的同時將斷裂韌度提高了一倍；Zhang等［21］研究了SiC／石墨疊層陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌度由增韌前的4MPa·m1／2提高到了14MPa·m1／2；Guicciardi等［22］制備了SiC-AlN-MoSi2疊層陶瓷復(fù)合材料，他們通過合理控制疊層陶瓷材料的成分，在材料表層形成了殘余壓應(yīng)力，使其強度和韌性顯著提高；Deng等［23］采用真空熱壓燒結(jié)方法制備了SiC／（W，Ti）疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的陶瓷噴嘴。

1.3 Si3N4體系仿生疊層陶瓷復(fù)合材料

Wang等［24］研究了Si3N4／BN 疊層復(fù)合材料中軟層及硬層性能對材料整體性能的影響，發(fā)現(xiàn)，向BN 軟層中分別加入36%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的Al2O3或20%的Si3N4都可以使材料獲得較好的韌性和強度匹配，向Si3N4硬層中引入SiC 晶須或β-Si3N4晶種均可使復(fù)合材料的斷裂韌性提高，且SiC晶須的增韌效果優(yōu)于β-Si3N4晶種的；之后，他們又以BN＋Al2O3為軟層，Si3N4＋SiC（W）為硬層，制備了Si3N4＋SiC（W）／BN＋Al2O3疊層復(fù)合材料，其抗彎強度高達750MPa，斷裂韌度提高到了28 MPa·m1／2，具有較好的高溫力學性能。Ohji等［25］以多孔Si3N4為軟層、致密Si3N4為硬層，制備了疊層陶瓷復(fù)合材料，其抗彎強度高達930 MPa，彈性模量為228GPa，斷裂韌度為15.25 MPa·m1／2；陳蓓 等［26］制 備 了3 層、5 層、9 層Si3N4＋SiC 疊 層陶瓷，其抗彎強度分別為589，860，1 120 MPa，表層壓應(yīng)力的存在對裂紋擴展具有抑制和阻礙作用。郭海等［27］制備的Si3N4／BN 疊層結(jié)構(gòu)材料的表層斷裂韌度高達20.1 MPa·m1／2，與Si3N4單體材料的相比，提 高 了2.29 倍；Shigegaki［28］以β-Sialon 為 軟層，以Si3N4為硬層，通過流延法制片熱壓燒結(jié)工藝制備了β-Sialon／Si3N4疊層陶瓷復(fù)合材料；Krstic等［29］制備了7層Si3N4／BN 疊層陶瓷，其表層最高斷裂韌度可達22 MPa·m1／2。

2 仿生疊層陶瓷復(fù)合材料在刀具中的應(yīng)用

用特種陶瓷材料做成的陶瓷刀具具有高的硬度以及良好的耐磨性、耐熱性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，因而被認為是一類極具發(fā)展前途的刀具，得到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，并取得了一些研究進展。趙軍等［30］提出了梯度功能陶瓷刀具材料的設(shè)計原理和模型，并通過控制Al2O3與TiC 的配比及其在表層和中間層中的相對含量，使刀具材料在制備過程中于其內(nèi)部形成了有利的應(yīng)力分布狀態(tài)，以緩解切削時的外應(yīng)力，同時又有利于切削熱的傳出，最后通過熱壓燒結(jié)工藝成功制備了Al2O3／TiC 系梯度功能陶瓷刀具材料；員冬玲等［31］制備了Al2O3／（W，Ti）＋Al2O3／TiC對稱型疊層陶瓷刀具復(fù)合材料，認為層厚比的增加有利于提高材料的壓應(yīng)力、減小拉應(yīng)力，但層厚比大于8后，應(yīng)力值變化變緩，趨于平穩(wěn)；另外，層數(shù)的增加有利于增加壓應(yīng)力、減少拉應(yīng)力，但層數(shù)對材料殘余應(yīng)力分布的影響不大，綜合考慮制備的難度和應(yīng)力變化效果，取3～5層為宜；袁訓(xùn)亮等［32］研制出了Al2O3-TiC-WC 納米層狀陶瓷復(fù)合材料刀具，其抗彎強度為840 MPa，硬度為20GPa，斷 裂 韌 度 為5.32 MPa·m1／2；Amateau等［33］制備了Al2O3＋Al2O3／TiC＋Al2O3三層陶瓷復(fù)合材料刀具以及不同組分的SiC／Al2O35層、7層疊層復(fù)合陶瓷刀具。

由于復(fù)合材料層間的熱膨脹系數(shù)不同，從而在刀具表面形成了殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在對疊層陶瓷復(fù)合材料刀具磨損性能有很大影響。Scuor等［34］以Al2O3為表層，以Al2O3／ZrO2復(fù)合陶 瓷材料為中間層，采用熱壓燒結(jié)法制備了3層對稱型疊層陶瓷刀具；由于Al2O3／ZrO2復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)大于Al2O3的，因此燒結(jié)冷卻后，會在刀具表層形成殘余壓應(yīng)力；此外，Scuor等采用該刀具對鋼進行切削加工，并與普通氧化鋁刀具進行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，疊層陶瓷刀具前后面的磨損機理與氧化鋁刀具的不同，其耐磨性能更優(yōu)，這說明表層殘余應(yīng)力的存在可有效抑制邊界處的磨損與崩刃。

3 仿生疊層陶瓷刀具的性能

仿生疊層作為一種新的增強、增韌手段，制備出的仿生疊層陶瓷刀具的性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具的，其最佳切削速度以比硬質(zhì)合金刀具的高2～4倍，壽命是硬質(zhì)合金的10倍以上。與市售普通陶瓷刀具相比，仿生疊層陶瓷刀具的性能明顯優(yōu)異，其主要是通過仿生疊層設(shè)計使斷裂韌性和抗彎強度大幅提高，故其壽命比普通陶瓷刀具的長。趙軍等制備了Al2O3／TiC系梯度功能陶瓷刀具，其硬度高達19 GPa，抗彎強度為640 MPa，斷裂韌度為4.8 MPa·m1／2，性能明顯優(yōu)于普通Al2O3陶瓷刀具的；員冬玲等制備了Al2O3／（W，Ti）＋Al2O3／TiC對稱型疊層陶瓷刀具，在采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，刀具的硬度能達到21.5 GPa，斷裂韌度為9.8 MPa·m1／2，在進行切削時，后刀面的磨損量明低于普通陶瓷刀具的，且壽命得到了大幅提高。

4 結(jié)束語

仿生疊層陶瓷刀具材料還存在許多問題需要進一步深入研究來解決，如：疊層材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、組分、制備工藝、結(jié)構(gòu)功能一體化、增韌機制、斷裂機制及其工程應(yīng)用等問題。弱結(jié)合型疊層陶瓷復(fù)合材料（如采用軟夾層石墨、六方BN 等）由于弱結(jié)合層的引入犧牲了材料的整體均勻性，導(dǎo)致疊層陶瓷在平行于疊層方向上的抗剪切能力較差；對于金屬夾層，高溫下金屬與陶瓷的反應(yīng)將加劇，產(chǎn)物多呈脆性，這將降低其增韌的效果；有機高分子材料作為夾層材料雖然增韌能力較好，但其無疑會使刀具的使用溫度降低；強結(jié)合型疊層陶瓷復(fù)合材料增韌幅度一般。疊層結(jié)構(gòu)對抗沖擊性能的改進是明顯的，但是對于應(yīng)力狀態(tài)為單軸拉伸以及作用力垂直于層疊方向等情況，如何進一步提高疊層材料的性能是一個值得探討的問題。

仿生疊層陶瓷刀具材料為疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計，層間由于熱膨脹系數(shù)不同，燒結(jié)后會在刀具表面形成殘余應(yīng)力，通過合理的設(shè)計可使其表面形成殘余壓應(yīng)力，進而抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展，從而提高刀具的表面硬度和韌性，并增強其耐磨損性能；殘余壓應(yīng)力還可以緩解切削過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而有利于提高刀具的切削性能。使表面形成殘余壓應(yīng)力的仿生疊層設(shè)計作為陶瓷刀具一種新的增韌補強方法，受到了國內(nèi)外學者的親睞，這也將是未來陶瓷刀具的發(fā)展趨勢。陶瓷材料的復(fù)合化是提高其性能最常用的手段，而納米復(fù)合是提高材料力學性能的有效手段之一，英國著名材料專家Cahn在《自然》雜志上撰文說：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑”。仿生疊層設(shè)計是提高陶瓷材料強韌性的一種新方向，且效果顯著。在陶瓷復(fù)合材料制備時，將這些技術(shù)綜合利用、取長補短、協(xié)同作用，將會得到良好的效果。所以，多層次多元化復(fù)合將是疊層陶瓷復(fù)合材料的研究方向，多種強韌化機制綜合作用，將會使復(fù)合材料的性能產(chǎn)生較大飛躍，日本陶瓷材料方面synergy計劃體現(xiàn)了這一發(fā)展趨勢。將納米顆粒增韌、纖維（晶須）增韌、顆粒彌散增韌、相變增韌等手段跟仿生疊層設(shè)計相結(jié)合，可制備出高強度、高韌性、智能化、經(jīng)濟環(huán)保的高性能陶瓷復(fù)合刀具材料，是未來陶瓷刀具材料的主要發(fā)展趨勢。

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