1988 年 , Coblenz提出了纤维独石结构 (fibrous monolithic structure) 。 纤维状的胞体以一定的方式排布 ,中间间隔有很薄 的界面层 ,结合成一个块体的结构材料 。 近年来提出将这种结 构引入到先进陶瓷基复合材料的设计与制备中 。 纤维独石陶 瓷由于其优异的力学性能，特别是高的断裂韧性与断裂功 、极 高的抗热冲击破坏能力 、 较高的断裂强度 、 良好的高温抗蠕 变性能 、 独特的三维微结构排列等优点已经引起国内外科技 工作者的广泛关注和研究 。
1、纤维独石结构陶瓷材料
自然仿生材料的研究表明 : 天然竹材是典型的长纤维增强 复合材料 ,其增强体一维管束的分布不均匀 ,外层致密 ,体内逐 步变疏松 。 竹干的力学性能如拉伸弯曲 、 压缩强度和模量 , 沿径向的分布一般是在外层高 ,内层低 。竹材的表层的高强度 和高韧性主要是由竹纤维结构的优越性所致 。竹纤维的精细结 构包含多层厚薄相同的层 , 每层中的纤维丝以不同升角分布 , 避免了几何和物理方面的突变 ,层间结合大为改善 。 因此 ,可 以把自然仿生层的结构抽象为软硬相交替的多层增韧结构。
例如，对于TiC基体，与别的夹层材料相比，Al和Cu增韧效果最 显著。
采用金属夹层时，应该采取措施降低陶瓷基体的烧结温度，以免 陶瓷与金属发生高温反应，生成脆性化合物。
例如，对于SiC基体材料，用金属W、Ta等作夹层材料时，Y2O3 和Al2O3作为基体材料的烧结助剂，可以降低烧结温度。在金属中添 加可以形成包裹层或生成稳定的金属间化合物的成分(例如在W中加 入Co)，也可以减弱金属与陶瓷的高温反应。
体材料选择不同的夹层材料。选择原则如下： 一 具有一定强度，尤其是高温强度，以保证常温下正常应用及
高温下不发生太大的蠕变； 二 与基体结合强度适中，既要保证与基体不发生反应，可以很
好地分隔基体材料，使材料具有宏观的层状结构，又要能够将层片状 基体材料适当地“粘接”而不发生分离；
三 与基体材料的热膨胀系数、弹性模量相匹配，避免热应力开 裂。
第二章 陶瓷材料的仿生结构增韧
2.1仿生结构设计思想的提出
陶瓷材料的脆性和增韧问题一直是研究的热点之一，也是 陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一。近二十年来，人们相继 提出了长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多种 强韧化措施，也取得了很多积极的研究成果。但是，这些强韧化 措施的增韧效果还很有限，还没有从本质上解决陶瓷材料的脆性 问题。
近些年来，人们从天然生物的研究中达到启示，天然的生物 材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它们虽然具有简单的组成，但 是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综 合性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿生结构设计的 思想，通过“简单组成、复杂结构”的精细组合，来实现材料的 高韧性、抗破坏及使用可靠性特性。陶瓷材料的仿生结构设计， 从很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化 提供了一条崭新的研究和设计思路。
人们从这种结构中受到启发：要克服陶瓷材料的脆性，可以采用 层状结构，在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层 (通常称之为夹层、隔离层或界面)制成层状复合材料，这种结构的材 料在应力场中是一种能量耗散结构，能克服陶瓷材料突发性断裂的致 命缺点。当材料受到弯曲或冲击时，裂纹多次在层界面处受到阻碍而 钝化和偏折，有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。同时， 这种材料的强度受缺陷影响较小，是一种耐缺陷材料，这种结构可使 陶瓷材料的韧性得到很大改善，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新 的设计和研究思路。
主要影响因素：
（1）纤维前驱体直径 （2）结构单元的强化 （3）界面层的结合强度 （4）纤维排布方向
2、仿贝壳结构特征的层状结构陶瓷材料
2.2层状陶瓷增韧思想的提出
近年来，围绕着改善陶瓷材料韧性的问题，国内外进行了大量的 研究工作，其中采用层状复合结构设计进行陶瓷增韧就是其中的方法 之一。
陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发。 研究发现，贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超 薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，如图2.1所示， 其中碳酸钙约占体积的95%，有机物只占5%，但这5%的有机物的存在 却引起了碳酸钙力学性能的巨大变化。众所周知，纯粹的碳酸钙很脆， 而珍珠层的强韧性却很高，其断裂韧性比碳酸钙高出3000倍以上。
(1) 金属夹层材料
常用的金属夹层材料有Ni、Al、Cu、W、Ta等。延性金属软 相材料可以发生较大程度的塑性变形来吸收能量，还能够在一定 程度上使裂纹尖端钝化，并且使裂纹在弱界面发生偏转以及在裂 纹尾部形成桥接等，从而起到强化和增韧效果。
此外，当引入金属层后，由于金属与陶瓷热膨胀残余压应力，有利于提 高材料的韧性。不同的金属夹层对基体的增韧作用是不同的。
(2) 无机非金属夹层材料
基体材料增韧后可以提高层状复合材料的断裂性能。基体材料常 用的增韧方法有颗粒弥散增韧、纤维或晶须增韧、相变增韧等。文 献表明，基体材料采用不同的增韧方法其增韧效果是不同的。因此， 要发挥协同增韧作用，针对不同的基体选择不同的增韧方法。
2) 夹层材料的选择原则 夹层材料是决定层状陶瓷韧性高低的关键。一般来说，不同的基
2.2 层状陶瓷的材料选择和结构设计
层状陶瓷是由层片状的陶瓷基体和夹层两部分组成。层状陶瓷的性 能主要是由这两部分各自的性能和二者界面的结合状态所决定的。提高 层状陶瓷韧性的关键技术包括材料基体的优化、夹层匹配的选择、结构 及界面设计等。
2.2.1材料选择
1) 基体材料
层状陶瓷的基体材料一般选用具有较高强度和弹性模量的结构 陶瓷材料，如SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，在使用中可以承受较大 的应力，并具有较好的高温力学性能。根据Clegg等人的观点，基体 材料的强度直接影响复合材料的断裂韧性值，强度越高，断裂韧性 越高。