硬质陶瓷涂层一般硬度高，但韧性差，在受到较大外加冲击荷载作用时容易产生裂纹并引发失效，从而限制了硬质涂层在工程领域的应用。硬质涂层的增韧研究是当前硬质涂层研究的热点之一。常见硬质涂层增韧方法中，有些是以降低硬度为代价来提高涂层韧性，比如第二相增韧；有些是通过优化涂层结构设计，减小缺陷尺寸，在不损失涂层高硬度的前提下，提高韧性，获得兼具高硬度和高韧性的涂层；有些是通过相变（晶体结构转变）提高涂层的韧性。通过优化涂层结构设计，改变涂层晶粒尺寸、晶界尺寸与复杂程度等，使涂层致密化，从而提高涂层硬度与韧性，从而获得增韧效果，成为研究者越来越关注的焦点。单一增韧方法的局限性，可以通过多种增韧方法协同作用获得突破，协同增韧已成为硬质涂层增韧发展的趋势。目前硬质涂层的韧性评估还没有一个公认的方法，从简单实用出发，常用的有微悬臂梁弯曲法、划痕法和压痕法。

    引言

    陶瓷涂层应用于不同工程领域，比如机械零部件表面镀一层陶瓷涂层，可以有效提高零部件寿命。但是，陶瓷涂层的较低韧性限制了其广泛使用。典型例子如具有高硬度（H>20 GPa）和超高硬度（H>40 GPa）的陶瓷涂层，在受到外加冲击荷载作用时会突然失效。为了解决此类问题，很多研究工作已经展开，分析硬质涂层在外加荷载作用下裂纹起源与扩展，探索不同的的增韧方法。文中主要综述了近年来采用物理气相沉积制备的硬质涂层的增韧方法，并在此基础上对该领域的发展趋势做了展望。

    韧性

    韧性是指材料在变形直至断裂过程中吸收能量的能力。如果断裂是瞬间发生（基本没有塑性变形），表明材料是脆性的，或者说韧性较差。如果断裂过程中有较大塑性变形且在断裂前伴有应力的稳定下降，则说明材料具有良好的延展性，换句话说韧性较好。硬质涂层韧性测量方法可概括为弯曲或屈曲、压痕或划痕等，目前还没有一个公认的测试标准。由于受涂层材料二维尺度限制，涂层材料韧性的测量很难像宏观块体材料韧性测量那样，通过在块体材料中预先引入微裂纹，然后弯折，进行半定量或定量评估韧性。需要指出的是，随着加工技术的发展，科研者也在尝试克服较难在涂层中引入预裂纹的问题，比如微悬臂梁定量测试韧性的方法]。

    1硬质陶瓷涂层的增韧

    韧性是指材料在断裂过程中吸收能量的能力，所吸收的能量包括促使裂纹形成的能量和使裂纹扩展直到断裂所需的能量。如果裂纹形成和扩展受阻，那么材料的韧性就可以得到提高。在块体陶瓷材料领域，增韧方法有：延性相增韧，纤维和晶须增韧，相变增韧，微裂纹增韧等，其增韧机理已相对成熟。而涂层陶瓷材料由于尺寸效应，增韧机理是从宏观块体材料的增韧机理发展而来，但又不同于块体材料的增韧机理。目前实现硬质涂层增韧的途径有：①引入第二相，主要是金属延性相；②利用相变；③引入压应力； ④优化涂层结构。

    第二相塑性变形增韧原理图

    2硬质陶瓷涂层韧性的评估

    在研究硬质涂层增韧机理、评估增韧效果时，一个简单有效的评估方法是必须的。与宏观块体材料的韧性测量不同，由于涂层二维尺度限制，涂层薄膜材料的韧性评估，至今没有一个被普遍接受的标准。不同研究人员建议的不同测试方法在以往的文献综述中都有整理总结[。文中简要介绍其中3种，需要注意的是微悬臂梁弯曲测试技术，被越来越多研究者所关注。

    不同涂层的划痕形貌

    3总结和展望

    韧性是材料在变形直至断裂过程中吸收能量的能力，吸收能量越多，表明该材料的韧性越好。在材料应力-应变曲线图上，位于曲线下方的面积代表了材料吸收能量的大小。从而，任何有利于该面积增加的方法，均能够提高材料的韧性。

    方法

    第二相增韧中延性相增韧是一种有效的增韧手段，但该方法常导致涂层硬度降低。目前很多研究者致力于涂层延性相增韧，期望通过多元、多相纳米复合显微结构设计突破延性相增韧的局限性。仿生涂层的出现从增韧组元选择、微观结构设计等方面为涂层增韧研究提供了一个新思路，从而有效提高涂层的硬度和韧性。涂层增韧研究中的另外一个热点是改变涂层微观结构增韧，即通过改变涂层组织中晶粒尺寸大小与分布、晶界尺寸与复杂程度等，使涂层致密化，从而提高涂层硬度与韧性，该方法的局限性在于晶粒尺寸并不是越小越好，控制晶粒成为关键。多层膜增韧发展空间较大，未来发展会更加多元化，可以通过调整组成成分，多层膜调制周期，晶粒尺寸大小等，并协同其它增韧方法，从而有效提高涂层硬度和韧性。相变增韧近年来也受到关注，但仅集中在ZrO2和AlN为增韧相，这也限制了相变增韧的发展。

    涂层强化和韧化的研究越来越多，单一增韧方法的局限性越来越显著，硬质涂层增韧中多种增韧方法的协同作用越来越重要，例如相变增韧和多层膜增韧的协同，涂层致密化增韧和压应力增韧的协同等，都能在硬度损失较小的前提下提高涂层韧性。

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责任编辑：王元

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