仿生叠层陶瓷刀具的研究现状与发展

陈 闻，周后明，邓建新，周 文

（湘潭大学机械工程学院，湘潭411105）

0 引 言

陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及密度小等诸多优点，在能源、石油、化工、冶金、机械和航天航空等领域都有着广阔的应用前景。而采用特种陶瓷材料制成的陶瓷刀具，可以高效加工传统刀具不能加工的材料，甚至可以实现“以车代磨”。制备陶瓷刀具材料的主要原料是地壳中最丰富的元素，因此，研究开发并推广应用新型陶瓷刀具，对提高生产率、降低加工成本、节省贵重金属具有十分重要的意义。

现代切削技术的发展趋势是高速化、精密化和自动化，这就要求切削刀具必须十分可靠。陶瓷刀具材料属于典型的脆性材料，对缺陷十分敏感，其可靠性和可重复性差，这使得其在工程应用中受到了很大限制。因此，改善陶瓷刀具的韧性，提高其切削加工时的可靠性是陶瓷材料和切削加工领域的研究重点［1-2］。近年来陶瓷刀具材料的增韧补强取得了一些进展，各国学者提出了多种增韧补强理论，如：颗粒增韧、相变增韧和晶须增韧等。其中颗粒弥散增韧陶瓷刀具的应用较多，但其增韧幅度十分有限；相变增韧陶瓷刀具的增韧效果受切削温度的影响较大；而晶须尺寸较小、增韧效果有限，且对人体有害，故晶须增韧方法未能得到广泛应用。所以研发新的陶瓷刀具材料增韧补强的方法，具有重要的应用前景。

贝壳等天然生物材料具有良好的强韧性，这与其独特的微观结构密切相关。贝壳的珍珠层由高硬度的纹石片叠层累积组成，纹石片间存在韧性非常好的有机质层，它们之间的界面对裂纹扩展具有偏转作用，能使裂纹从应力状态有利的方向转向不利的方向，从而使裂纹扩展的阻力明显增大，基体因而得到韧化；同时，珍珠层发生变形与断裂时，有机质会发生塑性变形，从而降低了裂纹尖端的应力强度因子，增大了裂纹的扩展阻力［3-9］。贝壳中珍珠层的叠层结构是其高断裂韧性的根源。

基于贝壳等生物材料的启示而制成的仿生叠层陶瓷是在脆性陶瓷层间加入不同材质的较软或韧性较好的材料层（通常称之为夹层、隔离层或界面层）而制成的，这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构，能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。其结构设计的原理是尽量减小材料力学性能对原始裂纹缺陷的依赖性，而使其成为一种对缺陷不敏感的材料，即一种耐缺陷材料［3-9］。仿生叠层结构设计不象其它强韧化方法那样以牺牲部分强度来换取较高的韧性，而是使材料的强度和韧性同时得以提高。当材料受到弯曲或冲击时，裂纹多次在有机质层界面处受到阻碍而钝化和偏折，有效减弱了载荷作用下裂纹尖端的应力集中效应，使陶瓷的韧性得到极大改善。仿生叠层结构的性质取决于基体和夹层的结构、特性、含量、层厚、间距以及它们之间的互溶度等。为了给相关研究人员提供参考，作者对Al2O3体系、SiC体系、Si3N4体系等三种仿生叠层陶瓷复合材料进行了综述，并介绍了仿生叠层陶瓷刀具的应用及性能，最后指出了当前存在问题和今后的发展趋势。

1 国内外研究现状

1990年Clegg等［3］发现类似仿珍珠贝壳结构的层状结构可以大幅提高陶瓷材料的断裂韧性。此后，仿生叠层陶瓷复合材料迅速发展。目前，国内外许多学者都展开了仿生叠层陶瓷复合材料的研究工作。在几种仿生结构材料中，以类似贝壳、珍珠层叠层结构的研究最为深入。仿生叠层陶瓷复合材料按主层材料划分主要有三种：Al2O3体系仿生叠层陶瓷复合材料、SiC 体系仿生叠层陶瓷复合材料和Si3N4体系仿生叠层陶瓷复合材料。

1.1 Al2O3体系仿生叠层陶瓷复合材料

Al2O3体系仿生叠层陶瓷复合材料选用高硬的Al2O3陶瓷来模拟珍珠层的硬层，选用硬度较低、弹性模量较小的陶瓷（BN）、石墨或金属镍或钨等来模拟珍珠层中的软层。近年来，国内外开展了许多这方面的研究，并突破了夹层是软质材料（如ZrO2，SiC，TiC，TiN，3Al2O3·2SiO2，Y-ZPT 和ZTA 等）的界限。Portu等［10-12］以ZrO2为基体层材料，以45% Al2O3＋ZrO2为表面层，按照图1所示的流程制备出了Al2O3／ZrO2叠层陶瓷复合材料，其横截面形貌如图2所示，由于层间热膨胀系数的差异在表面层形成了残余压应力，使其抗弯强度和断裂韧度分别从单体ZrO2材料的450 MPa和8.8 MPa·m1／2提高到682 MPa和16.2MPa·m1／2。

图1 Al2O3/ZrO2叠层陶瓷复合材料的制备流程Fig.1 Preparation process of Al2O3/ZrO2laminated ceramic composite

图2 Al2O3/ZrO2叠层陶瓷复合材料的横截面形貌Fig.2 Cross section morphology of Al2O3/ZrO2laminated ceramic compostes

Tomaszewski等［13］用轧膜法制备了具有高性能的Al2O3／LaPO4叠层陶瓷复合材料，其冲击韧度从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］用轧膜法制得了Al2O3／3Al2O3·2SiO2叠层陶瓷复合材料；Both［15］等用流延法制得了Al2O3／ZrO2叠层陶瓷复合材料，其断裂韧度为5.3 MPa·m1／2；Bermejo等［16］制 备 了Al2O3-5%t-ZrO2／Al2O3-30%m-ZrO2叠层陶瓷复合材料，研究了厚度比对其残余应力、强度和韧性的影响；曾宇平等［17］利用流延成型工艺，热压烧结制备了层状Al2O3-TiB2复相陶瓷材料，其抗弯强度和断裂韧度分别为570 MPa 和5.64 MPa·m1／2；张 志 强 等［18］制 备 了Al2O3-ZrO2云母片层状复合材料，其抗弯强度与块体Al2O3材料的基本相同，但断裂韧度却比块体Al2O3材料的提高了60%，达到了5.3 MPa·m1／2。

1.2 SiC体系仿生叠层陶瓷复合材料

对SiC体系仿生叠层陶瓷复合材料的研究进行得较早，1990年，Clegg等［3］以SiC 为 硬 层、石 墨 为软层，制备了SiC／C 叠层复合材料，他们发现层状结构能有效提高SiC陶瓷的韧性，复合材料的断裂韧度和冲击韧度分别为17.7 MPa·m1／2和6 152J·m-2，分别比SiC单体的提高了4倍和上百倍；张永俐［19］以铝为软相，通过热压烧结制备了SiC／Al复合材料，其断裂韧度较增韧前提高了2～5倍；罗永明等［20］制备了SiC／W 叠层陶瓷复合材料，在保持其强度不变的同时将断裂韧度提高了一倍；Zhang等［21］研究了SiC／石墨叠层陶瓷复合材料，其断裂韧度由增韧前的4MPa·m1／2提高到了14MPa·m1／2；Guicciardi等［22］制备了SiC-AlN-MoSi2叠层陶瓷复合材料，他们通过合理控制叠层陶瓷材料的成分，在材料表层形成了残余压应力，使其强度和韧性显著提高；Deng等［23］采用真空热压烧结方法制备了SiC／（W，Ti）叠层结构复合材料的陶瓷喷嘴。

1.3 Si3N4体系仿生叠层陶瓷复合材料

Wang等［24］研究了Si3N4／BN 叠层复合材料中软层及硬层性能对材料整体性能的影响，发现，向BN 软层中分别加入36%（质量分数，下同）的Al2O3或20%的Si3N4都可以使材料获得较好的韧性和强度匹配，向Si3N4硬层中引入SiC 晶须或β-Si3N4晶种均可使复合材料的断裂韧性提高，且SiC晶须的增韧效果优于β-Si3N4晶种的；之后，他们又以BN＋Al2O3为软层，Si3N4＋SiC（W）为硬层，制备了Si3N4＋SiC（W）／BN＋Al2O3叠层复合材料，其抗弯强度高达750MPa，断裂韧度提高到了28 MPa·m1／2，具有较好的高温力学性能。Ohji等［25］以多孔Si3N4为软层、致密Si3N4为硬层，制备了叠层陶瓷复合材料，其抗弯强度高达930 MPa，弹性模量为228GPa，断裂韧度为15.25 MPa·m1／2；陈蓓 等［26］制 备 了3 层、5 层、9 层Si3N4＋SiC 叠 层陶瓷，其抗弯强度分别为589，860，1 120 MPa，表层压应力的存在对裂纹扩展具有抑制和阻碍作用。郭海等［27］制备的Si3N4／BN 叠层结构材料的表层断裂韧度高达20.1 MPa·m1／2，与Si3N4单体材料的相比，提 高 了2.29 倍；Shigegaki［28］以β-Sialon 为 软层，以Si3N4为硬层，通过流延法制片热压烧结工艺制备了β-Sialon／Si3N4叠层陶瓷复合材料；Krstic等［29］制备了7层Si3N4／BN 叠层陶瓷，其表层最高断裂韧度可达22 MPa·m1／2。

2 仿生叠层陶瓷复合材料在刀具中的应用

用特种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、耐热性和化学稳定性等优点，因而被认为是一类极具发展前途的刀具，得到了国内外学者的广泛关注，并取得了一些研究进展。赵军等［30］提出了梯度功能陶瓷刀具材料的设计原理和模型，并通过控制Al2O3与TiC 的配比及其在表层和中间层中的相对含量，使刀具材料在制备过程中于其内部形成了有利的应力分布状态，以缓解切削时的外应力，同时又有利于切削热的传出，最后通过热压烧结工艺成功制备了Al2O3／TiC 系梯度功能陶瓷刀具材料；员冬玲等［31］制备了Al2O3／（W，Ti）＋Al2O3／TiC对称型叠层陶瓷刀具复合材料，认为层厚比的增加有利于提高材料的压应力、减小拉应力，但层厚比大于8后，应力值变化变缓，趋于平稳；另外，层数的增加有利于增加压应力、减少拉应力，但层数对材料残余应力分布的影响不大，综合考虑制备的难度和应力变化效果，取3～5层为宜；袁训亮等［32］研制出了Al2O3-TiC-WC 纳米层状陶瓷复合材料刀具，其抗弯强度为840 MPa，硬度为20GPa，断 裂 韧 度 为5.32 MPa·m1／2；Amateau等［33］制备了Al2O3＋Al2O3／TiC＋Al2O3三层陶瓷复合材料刀具以及不同组分的SiC／Al2O35层、7层叠层复合陶瓷刀具。

由于复合材料层间的热膨胀系数不同，从而在刀具表面形成了残余应力，残余应力的存在对叠层陶瓷复合材料刀具磨损性能有很大影响。Scuor等［34］以Al2O3为表层，以Al2O3／ZrO2复合陶 瓷材料为中间层，采用热压烧结法制备了3层对称型叠层陶瓷刀具；由于Al2O3／ZrO2复合材料的热膨胀系数大于Al2O3的，因此烧结冷却后，会在刀具表层形成残余压应力；此外，Scuor等采用该刀具对钢进行切削加工，并与普通氧化铝刀具进行了对比，结果发现，叠层陶瓷刀具前后面的磨损机理与氧化铝刀具的不同，其耐磨性能更优，这说明表层残余应力的存在可有效抑制边界处的磨损与崩刃。

3 仿生叠层陶瓷刀具的性能

仿生叠层作为一种新的增强、增韧手段，制备出的仿生叠层陶瓷刀具的性能明显优于硬质合金刀具的，其最佳切削速度以比硬质合金刀具的高2～4倍，寿命是硬质合金的10倍以上。与市售普通陶瓷刀具相比，仿生叠层陶瓷刀具的性能明显优异，其主要是通过仿生叠层设计使断裂韧性和抗弯强度大幅提高，故其寿命比普通陶瓷刀具的长。赵军等制备了Al2O3／TiC系梯度功能陶瓷刀具，其硬度高达19 GPa，抗弯强度为640 MPa，断裂韧度为4.8 MPa·m1／2，性能明显优于普通Al2O3陶瓷刀具的；员冬玲等制备了Al2O3／（W，Ti）＋Al2O3／TiC对称型叠层陶瓷刀具，在采用3层结构设计时，刀具的硬度能达到21.5 GPa，断裂韧度为9.8 MPa·m1／2，在进行切削时，后刀面的磨损量明低于普通陶瓷刀具的，且寿命得到了大幅提高。

4 结束语

仿生叠层陶瓷刀具材料还存在许多问题需要进一步深入研究来解决，如：叠层材料的结构设计、组分、制备工艺、结构功能一体化、增韧机制、断裂机制及其工程应用等问题。弱结合型叠层陶瓷复合材料（如采用软夹层石墨、六方BN 等）由于弱结合层的引入牺牲了材料的整体均匀性，导致叠层陶瓷在平行于叠层方向上的抗剪切能力较差；对于金属夹层，高温下金属与陶瓷的反应将加剧，产物多呈脆性，这将降低其增韧的效果；有机高分子材料作为夹层材料虽然增韧能力较好，但其无疑会使刀具的使用温度降低；强结合型叠层陶瓷复合材料增韧幅度一般。叠层结构对抗冲击性能的改进是明显的，但是对于应力状态为单轴拉伸以及作用力垂直于层叠方向等情况，如何进一步提高叠层材料的性能是一个值得探讨的问题。

仿生叠层陶瓷刀具材料为叠层结构设计，层间由于热膨胀系数不同，烧结后会在刀具表面形成残余应力，通过合理的设计可使其表面形成残余压应力，进而抑制裂纹的产生和扩展，从而提高刀具的表面硬度和韧性，并增强其耐磨损性能；残余压应力还可以缓解切削过程中产生的应力，从而有利于提高刀具的切削性能。使表面形成残余压应力的仿生叠层设计作为陶瓷刀具一种新的增韧补强方法，受到了国内外学者的亲睐，这也将是未来陶瓷刀具的发展趋势。陶瓷材料的复合化是提高其性能最常用的手段，而纳米复合是提高材料力学性能的有效手段之一，英国著名材料专家Cahn在《自然》杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”。仿生叠层设计是提高陶瓷材料强韧性的一种新方向，且效果显著。在陶瓷复合材料制备时，将这些技术综合利用、取长补短、协同作用，将会得到良好的效果。所以，多层次多元化复合将是叠层陶瓷复合材料的研究方向，多种强韧化机制综合作用，将会使复合材料的性能产生较大飞跃，日本陶瓷材料方面synergy计划体现了这一发展趋势。将纳米颗粒增韧、纤维（晶须）增韧、颗粒弥散增韧、相变增韧等手段跟仿生叠层设计相结合，可制备出高强度、高韧性、智能化、经济环保的高性能陶瓷复合刀具材料，是未来陶瓷刀具材料的主要发展趋势。

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