氧化鋁陶瓷作為一種廣泛應用的先進陶瓷材料，不僅具有優異的力學性能和電學性能，還具有原料來源廣泛、成本低廉等其它陶瓷材料難以比擬的優點。然而，氧化鋁陶瓷也有著陶瓷材料共同的弱點——韌性低，其斷裂韌性通常只有3-4MPa·m²左右，極大地影響了氧化鋁陶瓷用作載荷零部件的工作可靠性和使用安全性。

氧化鋁陶瓷

為提高其力學性能，科學家們圍繞強韌化機制展開了深入研究，并提出了一系列改性方法，如彌散增韌、納米結構優化、復相陶瓷等。近年來，隨著先進制造技術的發展，氧化鋁陶瓷的強韌化取得了顯著進展。下文將會對一些常用及新型的增韌手段進行綜述。

一、相變增韌氧化鋁陶瓷

在相變增韌技術中，氧化鋯（ZrO₂）是最典型的增韌材料。氧化鋯的增韌機理包括應力誘導相變增韌、表面誘導增韌和微裂紋分叉增韌等，通過t-ZrO₂到m-ZrO₂的轉變對氧化鋁陶瓷進行強韌化。相變增韌陶瓷具有很強的溫度敏性，特別是在較高的溫度范圍內，其相變增韌效應將基本失效。因此，使用溫度的局限性限制其廣泛應用。

t→m相變尺寸效應示意圖

l 實驗研究與應用進展

宋順林等人利用氧化鋯的相變增韌機制，成功制備出具有高硬度和高韌性的ZTA復合陶瓷。任會蘭等人的研究進一步表明，氧化鋯的加入可有效細化氧化鋁顆粒，減少微裂紋，提高材料的致密度，在相同條件下，氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性均優于純氧化鋁陶瓷。

艾云龍等人采用微波燒結技術，在1550℃保溫10 min的條件下，成功制備出15%ZrO?-Al₂O₃復合陶瓷，其硬度達到13350 MPa，斷裂韌性達6.41 MPa·m^1/2，比普通氧化鋯-氧化鋁基陶瓷的韌性提高78%，表現出優異的力學性能。

二、晶須/纖維增韌氧化鋁陶瓷

晶須/纖維增韌是指在陶瓷基體中引入高性能的陶瓷纖維或晶須，以改善材料的斷裂韌性。在外加應力的作用下，增韌相可以通過晶須拔出、裂紋彎曲、裂紋橋連等機制消耗裂紋擴展能量，從而提高陶瓷的韌性。此外，晶須/纖維不僅能與陶瓷基體共同承擔外部載荷，還能在基體內部形成較弱界面，有效吸收外部能量，進一步抑制裂紋擴展。

晶須增韌機制示意圖

（左圖：拔出橋接機制；右圖：裂紋偏轉機制）

晶須增韌主要利用其高強度和小粒徑特性來優化陶瓷力學性能，但隨著晶須含量的增加，可能會導致基體內部分布不均，降低材料的致密度。此外，在燒結過程中，由于晶須與基體之間的膨脹系數不同，可能會引入殘余應力，影響增韌效果。因此，優化界面結構及確保晶須均勻分布是提高增韌效果的關鍵。

原位合成莫來石晶須增韌氧化鋁陶瓷

l 實驗研究與應用進展

①晶須增韌

目前，碳化硅（SiC）晶須是最常見的增韌相。例如，Garrnier采用熱壓燒結法制備SiC晶須增韌Al₂O₃基陶瓷，所得材料的相對密度接近100%，并且該復合材料的抗彎強度范圍在618-660 MPa之間，斷裂韌性高達8.0 MPa·m^1/2。

②纖維增韌

常見的陶瓷纖維包括碳纖維和氧化鋁纖維。Wang等人研究發現，在3D打印的氧化鋁陶瓷中添加5 wt.%碳纖維后，其斷裂韌性提高47.56%，抗彎強度提高55.38%，最佳斷裂韌性可達4.53±0.46 MPa·m^1/2。此外，Zhu等人采用溶膠-凝膠法制備Al₂O₃/Al₂O₃復合材料，并研究其高溫性能，發現該材料在1100℃時的抗彎強度接近150 MPa。

③碳納米管與石墨烯增韌

除了傳統晶須和纖維，研究者還嘗試利用碳納米管（CNT）和石墨烯對氧化鋁陶瓷進行增韌。武璽旺采用火花等離子燒結法制備CNT/Al₂O₃陶瓷，材料致密度超過98.5%，斷裂韌性提升105%，力學性能顯著增強。

三、顆粒彌散增韌氧化鋁陶瓷

顆粒彌散增韌主要是通過引入納米尺寸的顆粒進入氧化鋁基體，利用顆粒與基體材料間的相互作用和顆粒自身的特性，發揮釘扎效應，從而提高材料的斷裂韌性。所摻入的納米顆粒與氧化鋁基體的彈性模量和熱膨脹系數應當盡可能接近，以減少因兩者物理性能差異帶來的界面應力集中，確保顆粒與基體之間更好地結合。然而，該方法仍然面臨顆粒均勻分布、界面結合強度等挑戰。

根據加入顆粒的性質，顆粒增韌可分為剛性顆粒強化和延性顆粒強化。剛性顆粒通常是高彈性模量的非金屬材料，例如SiC顆粒、WC顆粒等。延性顆顆粒一般為金屬顆粒，主要利用裂紋尖端未斷裂的顆粒在裂紋上下表面起橋聯作用提升陶瓷的韌性，常見的包括Al、Fe、Ni、Nb等。

金屬顆粒橋聯增韌示意圖

l 實驗研究與應用進展

①剛性顆粒強化

Niihara等人制備SiC-Al₂O₃復合陶瓷，通過引入0.3μm、體積分數5%的SiC顆粒，使材料的抗彎強度從350 MPa提高至1 GPa，斷裂韌性從3.5 MPa·m^1/2提高至4.7 MPa·m^1/2。Liu等人采用熱壓法，在1430-1630℃燒結1 h制備SiC增強ZTA陶瓷，當SiC顆粒質量分數為13 wt.%時，復合材料的最大抗彎強度達1180 MPa，斷裂韌性達15.9 MPa·m^1/2。Wang等人通過添加6 vol.%WC顆粒，使氧化鋁基復合陶瓷的斷裂韌性提升至5.13 MPa·m^1/2。

②延性顆粒強化

張偉等人采用非均相沉淀法，結合熱壓燒結技術（1500℃），制備FeAl₂O₃復合陶瓷，當Fe含量為10 mol%時，其斷裂韌性達5.62 MPa·m^1/2，比單相氧化鋁陶瓷提高了57%。

Sekino等人通過Ni(NO₃)₂·6H₂O與Al₂O₃原料合成Al₂O₃/Ni復合陶瓷，其中含5 vol.%Ni的陶瓷抗彎強度達到1090 MPa，斷裂韌性為3.5 MPa·m^1/2。

四、層狀結構增韌氧化鋁陶瓷

層狀復合陶瓷的增韌主要依賴多層結構設計，利用各層材料之間的彈性模量差異，使材料在受力時產生宏觀應力，從而引導裂紋偏轉、橋接，達到能量耗散和增韌效果。這種結構通過在基體內部構建一系列垂直于應力方向的弱界面，當應力集中時，裂紋會在界面處發生橋接、拐折，從而降低裂紋擴展速率，提高材料的整體韌性，并增強其抗缺陷能力。

然而，各層的厚度、比例和均勻性對于增韌效果至關重要，且層間界面的結合質量直接影響材料的整體性能。因此，優化層狀結構設計仍是該技術研究的關鍵。

l 實驗研究與應用進展

①Al₂O₃基層狀復合陶瓷

劉琳等人采用熱壓燒結法（1590℃）制備Al₂O₃-ZrO₂/Si₃N₄層狀復合陶瓷，其抗彎強度達到42 MPa，斷裂韌性為4.1 MPa·m^1/2。Sun等人通過冷凍鑄造與熱壓燒結工藝制備了Al₂O₃/GO-Si₃N₄復合材料，其珍珠層狀微觀結構使材料的斷裂韌性提升至9.59 MPa·m^1/2。

②仿生珍珠層狀復合材料

Wan等人采用無壓與擠壓鑄造滲透技術，使鋁合金滲透到仿生珍珠層狀氧化鋁支架中，并結合雙向冷凍鑄造與一步致密化方法制備支架。實驗結果顯示，微層狀Al₂O₃/Al復合材料具有較高的強度和韌性，其中含18%氧化鋁和AlN界面的珍珠層狀復合材料表現出70 MPa·m^1/2的斷裂韌性和約600 MPa的抗彎強度。

鋁合金滲透到仿生珍珠層狀氧化鋁支架的過程示意

五、新型增韌方式——高密度位錯強韌化

位錯是晶體材料的一種微觀缺陷，在金屬材料中廣泛存在，并通過滑移機制提升其塑性和韌性。然而，陶瓷材料由于離子鍵和共價鍵的限制，位錯難以形成和移動，導致其脆性較高。

如氧化鋁陶瓷主要以離子鍵構成，其原子間的結合力較強，位錯的形成和移動困難。因此，氧化鋁陶瓷的位錯密度相對較低，通常表現為脆性材料。較低位錯密度使得陶瓷受載時在需要位錯移動的位置（比如裂紋尖端處，局部變形等）而缺少位錯，如下圖所示。

（a）位錯密度低時，受力時需要其先形核；（b）位錯密度高時，受力時能提供充足位錯

近年來，研究者們探索了在陶瓷材料中引入高密度位錯的方法，以改善其力學性能，主要包括以下幾種。

①表面處理法：通過維氏壓痕、噴丸等手段在陶瓷表面引入高密度位錯，提高斷裂韌性。但該方法只能將高密位錯引入陶瓷材料表面，難以用于多晶陶瓷，難以將位錯引入晶粒內部，同時容易產生新裂紋。

②動態壓力或超高壓法：在燒結過程中施加動態壓力或超高壓，可促進位錯增殖，提高陶瓷的強度和韌性。例如，通過200 MPa的高壓燒結氧化鋁，顯著提高位錯密度，并改善其斷裂韌性。

③成分設計：通過成分設計引入溶質原子產生局部晶格畸變是增加材料位錯密度的有效策略，尤其適用于高熵陶瓷。高熵陶瓷因其復雜的成分和無序微觀結構，富含晶格畸變，有利于位錯的形核與增殖，從而展現出相對于單相或復相陶瓷更高的位錯密度。

總結

氧化鋁陶瓷的強韌化研究已取得諸多進展，從相變增韌到高密度位錯強韌化，每種方法都有其獨特的優勢和局限。未來相關研究方向可能集中在多重增韌機制的協同作用及新型復合材料等方面。總之，隨著材料科學和制造技術的不斷進步，氧化鋁陶瓷的韌性瓶頸有望被逐步突破，從而在高性能結構材料領域展現更廣闊的應用前景。

資料來源：

付欣欣.閃燒熱處理致密氧化鋁陶瓷的微觀結構和力學性能[D].鄭州航空工業管理學院,2024.DOI:10.27898/d.cnki.gzhgl.2024.000237.

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趙介南,張寧,周彬彬,等.Al2O3基陶瓷材料的增韌研究進展[J].硅酸鹽通報,2016,35(09):2866-2871.DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2016.09.029.

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