陶瓷的脆性
脆性是陶瓷的最大弱點(diǎn)，它大大限制了陶瓷的應(yīng)用范圍。但是，這并非是陶瓷材料的"不治之癥"，經(jīng)過各國(guó)科學(xué)家和工程師多年的艱苦研究，終天大大地改善了陶瓷的脆性，研制出纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料。
這種材料不象傳統(tǒng)陶瓷"性格脆弱"，一打就破，陶瓷復(fù)合材料比一般陶瓷"剛強(qiáng)"多了，摔不爛，打不碎，甚至能夠"刀槍不入"。請(qǐng)看這樣一個(gè)鏡頭：在硝煙彌漫，炮聲轟鳴的戰(zhàn)場(chǎng)上，幾輛現(xiàn)代化坦克奮力猛進(jìn)，一發(fā)發(fā)炮彈在裝甲上爆炸，然而，坦克卻安全無恙，繼續(xù)前進(jìn)。難道這些坦克有什么魔法？原來，這種坦克有新型的復(fù)合裝甲。復(fù)合裝甲就象餡餅一樣，分為三層。外層是八十毫米厚的鋼板，最里層是二十毫米厚的鋼板，兩層鋼板之間夾著復(fù)合材料陶瓷層，這種復(fù)合裝甲能把炮彈大部分能量吸收掉，降低其穿透能力，復(fù)合裝甲的抗彈能力普通裝甲提高三倍，可見這種現(xiàn)代陶瓷復(fù)合材料的巨大威力了。
現(xiàn)代陶瓷復(fù)合材料的這種"打不碎"的性能，目前已開始顯露出它的鋒芒。這一類材料的發(fā)展，在很大程度上要受到可使用纖維品種的影響。在六十年代初期開始從事這類材料研究工作的時(shí)候，可供使用的纖維品種只是金屬絲，而且適合于使用的只有鉬絲和鎢絲。當(dāng)時(shí)用鉬絲或鎢絲來補(bǔ)強(qiáng)氧化鋁、氧化鋯等氧化物陶瓷以及某些硅酸鹽陶瓷。所獲得的復(fù)合材料，有些增加了強(qiáng)度，有些提高了抗機(jī)械沖擊的性能，有些則在抗熱震性方面有顯著的改進(jìn)，有些則不然，沒有補(bǔ)強(qiáng)?quot;補(bǔ)弱"，也就是說強(qiáng)度反而下降。這說明纖維與陶瓷既然組成的是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，兩者就有一個(gè)相互匹配的問題。首先，陶瓷要做成可用的制品，都必須經(jīng)過一千幾百攝氏度的高溫?zé)�，選用的纖維就必須能耐受這樣的高溫及其環(huán)境，而且在這個(gè)溫度下不能發(fā)生什么化學(xué)反應(yīng)，不然的話，纖維不是大大地被損害了它本身的性能，就是有被"吃掉"的危險(xiǎn)。其原理是用一種強(qiáng)度和彈性模量比較高的纖維（也就是既要強(qiáng)度高，又要在比較高的應(yīng)力下才能使它變形）均勻地分布于陶瓷體之中，這樣就可以做到使外加的負(fù)荷的大部分傳遞到纖維上，而減輕陶瓷本身的負(fù)擔(dān)。因此，加有纖維的陶瓷受到外力后，比較不容易從裂紋源產(chǎn)生裂紋。且纖維具有極高的強(qiáng)度，將可使陶瓷材料的強(qiáng)度有大幅度的增強(qiáng)。更重要的一點(diǎn)是，纖維在陶瓷基體中將可使材料的脆性變得很小。當(dāng)然，它的抗熱震性能也將同時(shí)有極大的提高。只要纖維選用得當(dāng)，就有可能使這種復(fù)合材料既可保持陶瓷所固有的特性，又可彌補(bǔ)人們對(duì)陶瓷最為擔(dān)心的弱點(diǎn)，即脆性。
這種材料使用的耐高溫纖維，除了金屬絲外，近十余年來新發(fā)展了一些非金屬纖維，其中最有成效的是碳纖維。它經(jīng)過石墨化處理后卻成為石墨纖維，它比碳纖維具有更高的彈性模量，這正是制造復(fù)合材料希望具備的性能。
對(duì)于基體材料的選擇，比較多的考慮是用金屬絲來補(bǔ)強(qiáng)，如用鎢絲補(bǔ)強(qiáng)氮化硅，可以使它在1300℃下的抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度增加九倍，如果改用鉭絲補(bǔ)強(qiáng)氮化硅，在性能改進(jìn)上的效果就比較突出。它的室溫抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度增加了30倍。此外還有用熱解沉積的辦法，制成纖維增強(qiáng)陶瓷材料，在25微米的鎢絲上沉積碳化硅，做成直徑為80-100微米、帶有鎢芯的碳化硅絲，以它來補(bǔ)強(qiáng)氮化硅，所得到陶瓷復(fù)合材料的斷裂功居然可以提高到未補(bǔ)強(qiáng)的氮化硅的幾百倍，強(qiáng)度也比未補(bǔ)強(qiáng)的氮化硅增加60％。有人甚至用莫來石的晶須來補(bǔ)強(qiáng)氮化硼，可得到較高的強(qiáng)度，抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度可提高十倍以上，抗熱震性亦有顯著的改善。
當(dāng)然，纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料雖然在制作上有種種限制和困難，但是一旦制成復(fù)合材料，無論在強(qiáng)度的提高上，特別是抗機(jī)械沖擊或者抗熱沖擊的性能上，都比不用纖維補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷有極為顯著的提高。
纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料在陶瓷家族的現(xiàn)代子孫中可以說是最年輕的不弟弟，但它的用途很廣，無論是軍事、宇宙飛行、高溫材料、化學(xué)工業(yè)等方面都要用上纖維補(bǔ)強(qiáng)材料，有人估計(jì)到本世紀(jì)末，陶瓷復(fù)合材料將在材料世界中占有相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>
