中國粉體網(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，已廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機、航空航天、國防軍工、冶金、醫(yī)療、光學、機械電子、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，這嚴重限制了其應(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、相變增韌、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)計增韌的一種有效增韌手段，它是通過引入添加劑或晶種，使氧化鋁陶瓷在燒結(jié)過程中形成有利于氧化鋁晶粒異向生長成為板狀、棒狀、長柱狀的晶粒動力學條件，達到增韌氧化鋁陶瓷的效果。自增韌運用原位復合技術(shù)為指導，利用材料物理化學原理原位合成自補強的陶瓷基復合材料，這種增韌技術(shù)不僅使增韌相顆粒與基體的相容性更好，同時還簡化工藝，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，如增韌效果不明顯、誘導劑或晶種難于尋找等。

顆粒彌散增韌

顆粒彌散增韌機理主要有切應(yīng)力阻礙微裂紋擴展增韌、熱應(yīng)力誘導微裂紋增韌、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吸收外加載荷。其主要增韌機理是當裂紋遇到增韌相時，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，達到增韌的目的。因其與溫度無關(guān)，顆粒彌散增韌可以用來作為高溫增韌的方法。

金屬顆粒增韌：陶瓷材料的力學性能可以通過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度下降。為了克服金屬顆粒對陶瓷材料的不良影響，研究者開始采用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）增韌可以通過外加晶須（纖維）法和原位生長晶須（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）除了可以來分擔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性能，成為陶瓷基復合材料的增強相。常用的晶須有SiC、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、Si₃N₄和莫來石等。

纖維增韌：為了達到纖維復合增韌的目的，纖維與基體材料之間必須滿足2個條件：起增強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)合不是簡單的混合物，而是一種有機的復合體，是通過非常薄的界面有機結(jié)合在一起。

相變增韌

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，通過適當?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，會發(fā)生t-m相變產(chǎn)生體積膨脹，使材料具有很高的強度和韌性，可以對氧化鋁陶瓷進行增韌。

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展過程中會發(fā)生反復的僑接、拐折，能夠提高材料的整體韌性和對缺陷敏感度。

協(xié)同增韌

隨著納米復合陶瓷材料增韌技術(shù)發(fā)展，通過將多種增韌方法結(jié)合起來進一步提高陶瓷斷裂韌性的技術(shù)手段，逐漸成為了近年來的研究的熱點。協(xié)同增韌就是通過兩種或者兩種以上的增韌方式協(xié)同作用達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

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。運用自增韌方式增韌氧化鋁陶瓷，通過形核和生長過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，但是異相生長晶粒氧化鋁陶瓷制備工藝不夠成熟；顆粒彌散增韌簡單廉價，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)工藝較復雜，尚不能應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，而且制備陶瓷材料過程中，增強體材料容易發(fā)生偏聚，易導致增韌效果不理想，還可能導致力學性能下降；相變增韌中氧化鋯在受應(yīng)力作用時產(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，這嚴重限制了材料的高溫性能；層狀增韌在燒結(jié)過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，因此協(xié)同增韌是未來氧化鋁陶瓷增韌發(fā)展的趨勢。

參考資料：

儲愛民、王志謙等.Al2O3基陶瓷材料增韌的研究進展

趙介難、張寧等.Al2O3基陶瓷材料的增韌研究進展

曹晶晶.原位增韌Al2O3陶瓷基復合材料的制備與性能研究

謝佳慧.韌性氧化鋁陶瓷的國內(nèi)外研究狀況和制備工藝

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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