中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氧化鋁陶瓷由于其耐高溫、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等金屬材料難以相比的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天、國(guó)防軍工、冶金、醫(yī)療、光學(xué)、機(jī)械電子、化工等領(lǐng)域。但它同大多數(shù)陶瓷材料一樣，存在著抗熱震性差和斷裂韌性低等缺點(diǎn)，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用，因此，提高氧化鋁陶瓷材料韌性至關(guān)重要。

氧化鋁陶瓷的增韌方式包括自增韌、顆粒增韌、纖維增韌、相變?cè)鲰g、層狀增韌以及協(xié)同增韌等方式。

自增韌

自增韌是微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增韌的一種有效增韌手段，它是通過(guò)引入添加劑或晶種，使氧化鋁陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中形成有利于氧化鋁晶粒異向生長(zhǎng)成為板狀、棒狀、長(zhǎng)柱狀的晶粒動(dòng)力學(xué)條件，達(dá)到增韌氧化鋁陶瓷的效果。自增韌運(yùn)用原位復(fù)合技術(shù)為指導(dǎo)，利用材料物理化學(xué)原理原位合成自補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，這種增韌技術(shù)不僅使增韌相顆粒與基體的相容性更好，同時(shí)還簡(jiǎn)化工藝，降低制備成本，提高了陶瓷材料的高溫性能。自增韌也存在其缺點(diǎn)，如增韌效果不明顯、誘導(dǎo)劑或晶種難于尋找等。

顆粒彌散增韌

顆粒彌散增韌機(jī)理主要有切應(yīng)力阻礙微裂紋擴(kuò)展增韌、熱應(yīng)力誘導(dǎo)微裂紋增韌、弱化應(yīng)力集中增韌、微裂紋偏轉(zhuǎn)與分支及細(xì)化基體晶粒。氧化鋁陶瓷材料選用的粘結(jié)劑如鋁、鎳、鉻等韌性金屬顆粒作為增韌相，主要借助于金屬的塑性變形來(lái)吸收外加載荷。其主要增韌機(jī)理是當(dāng)裂紋遇到增韌相時(shí)，發(fā)生裂紋移位或在顆粒處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以此消耗裂紋尖端的能量，達(dá)到增韌的目的。因其與溫度無(wú)關(guān)，顆粒彌散增韌可以用來(lái)作為高溫增韌的方法。

金屬顆粒增韌：陶瓷材料的力學(xué)性能可以通過(guò)添加金屬顆粒相得以提高，顆粒彌散相可以引入延性金屬相，延性金屬相也被證明是一種很有前途的增韌方法，例如Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金屬粒子引入陶瓷基體中，不僅改善了陶瓷的燒結(jié)性能，還阻礙了裂紋的擴(kuò)展。

非金屬顆粒增韌：雖然金屬顆粒能使陶瓷材料的韌性增加，但由于金屬本身較軟，使得陶瓷材料的整體硬度和強(qiáng)度下降。為了克服金屬顆粒對(duì)陶瓷材料的不良影響，研究者開(kāi)始采用SiC、TiC、WC、TiB₂、ZrB₂等非金屬顆粒增韌氧化鋁陶瓷。

晶須（纖維）增韌

晶須（纖維）增韌可以通過(guò)外加晶須（纖維）法和原位生長(zhǎng)晶須（纖維）法添加到Al₂O₃陶瓷基體中混合成形燒結(jié)得到增韌陶瓷。晶須（纖維）除了可以來(lái)分擔(dān)外加的載荷還能與陶瓷基體的弱界面結(jié)合吸收系統(tǒng)外來(lái)能量，從而改善陶瓷材料脆性。

晶須增韌：晶須增韌Al₂O₃基陶瓷是研究得比較早的一種陶瓷基復(fù)合材料，晶須的宏觀形態(tài)和粉末顆粒一樣，因此可以直接將晶須分散后與基體粉末混合均勻即可，通過(guò)熱壓燒結(jié)法或常壓燒結(jié)法，即可制得致密的陶瓷刀具材料。由于晶須自身的結(jié)構(gòu)使得晶須有很好的力學(xué)性能，成為陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)相。常用的晶須有SiC、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、Si₃N₄和莫來(lái)石等。

纖維增韌：為了達(dá)到纖維復(fù)合增韌的目的，纖維與基體材料之間必須滿(mǎn)足2個(gè)條件：起增強(qiáng)作用的纖維的彈性系數(shù)必須高于氧化鋁陶瓷基體；纖維與基體之間必須是相容的。常用的增強(qiáng)纖維有碳纖維、SiC纖維等，Al₂O₃基體和各種纖維之間的結(jié)合不是簡(jiǎn)單的混合物，而是一種有機(jī)的復(fù)合體，是通過(guò)非常薄的界面有機(jī)結(jié)合在一起。

相變?cè)鲰g

氧化鋯在1170℃和2370℃分別發(fā)生從單斜相(m)向四方相(t)的相變和從四方相(t)向單斜相(m)的相變，t-m相變?yōu)轳R氏體相變，伴有5%的體積膨脹，在氧化鋯中加入適量的穩(wěn)定劑如MgO、CaO等，通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜岷屠鋮s，可以將四方氧化鋯相穩(wěn)定到室溫，這種氧化鋯在受到外界應(yīng)力情況下，會(huì)發(fā)生t-m相變產(chǎn)生體積膨脹，使材料具有很高的強(qiáng)度和韌性，可以對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行增韌。

層狀增韌

人們由于受到自然界中貝殼微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，萌生了層狀增韌陶瓷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)想。目前Al₂O₃基層狀增韌陶瓷基體大多是由多層彈性模量，線膨脹系數(shù)均不相同的材料構(gòu)成。這樣層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在基體內(nèi)部形成眾多與應(yīng)力方向垂直的弱界面。在受到外載荷作用下，裂紋在層與層之間弱界面擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)發(fā)生反復(fù)的僑接、拐折，能夠提高材料的整體韌性和對(duì)缺陷敏感度。

協(xié)同增韌

隨著納米復(fù)合陶瓷材料增韌技術(shù)發(fā)展，通過(guò)將多種增韌方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)一步提高陶瓷斷裂韌性的技術(shù)手段，逐漸成為了近年來(lái)的研究的熱點(diǎn)。協(xié)同增韌就是通過(guò)兩種或者兩種以上的增韌方式協(xié)同作用達(dá)到陶瓷材料增韌的目的，目前應(yīng)用較為廣泛的有相變/顆粒協(xié)同增韌、晶須/顆粒協(xié)同增韌、原位/纖維協(xié)同增韌等。

結(jié)語(yǔ)

以上幾種增韌方式都使氧化鋁陶瓷材料的韌性得到了一定的改善，但仍存在不足之處。運(yùn)用自增韌方式增韌氧化鋁陶瓷，通過(guò)形核和生長(zhǎng)過(guò)程控制可以生成柱狀或板狀的氧化鋁晶粒，起到一定的增韌效果，但是異相生長(zhǎng)晶粒氧化鋁陶瓷制備工藝不夠成熟；顆粒彌散增韌簡(jiǎn)單廉價(jià)，但增韌效果有限；晶須等一維納米材料增韌氧化鋁陶瓷有較好的效果，但生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，尚不能應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，而且制備陶瓷材料過(guò)程中，增強(qiáng)體材料容易發(fā)生偏聚，易導(dǎo)致增韌效果不理想，還可能導(dǎo)致力學(xué)性能下降；相變?cè)鲰g中氧化鋯在受應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生馬氏體相變而起到增韌作用，但這種增韌效果隨著溫度升高而急劇下降，這嚴(yán)重限制了材料的高溫性能；層狀增韌在燒結(jié)過(guò)程中很容易在層間或胚體內(nèi)部形成缺陷，使層與層之間很難協(xié)調(diào)增韌；協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷材料能彌補(bǔ)單一增韌方法的不足，極大的發(fā)揮不同增韌方式的優(yōu)點(diǎn)，因此協(xié)同增韌是未來(lái)氧化鋁陶瓷增韌發(fā)展的趨勢(shì)。

參考資料：

儲(chǔ)愛(ài)民、王志謙等.Al2O3基陶瓷材料增韌的研究進(jìn)展

趙介難、張寧等.Al2O3基陶瓷材料的增韌研究進(jìn)展

曹晶晶.原位增韌Al2O3陶瓷基復(fù)合材料的制備與性能研究

謝佳慧.韌性氧化鋁陶瓷的國(guó)內(nèi)外研究狀況和制備工藝

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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