氧化鋁陶瓷作為一種廣泛應(yīng)用的先進(jìn)陶瓷材料，不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能，還具有原料來(lái)源廣泛、成本低廉等其它陶瓷材料難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。然而，氧化鋁陶瓷也有著陶瓷材料共同的弱點(diǎn)——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(xué)性能，科學(xué)家們圍繞強(qiáng)韌化機(jī)制展開(kāi)了深入研究，并提出了一系列改性方法，如彌散增韌、納米結(jié)構(gòu)優(yōu)化、復(fù)相陶瓷等。近年來(lái)，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，氧化鋁陶瓷的強(qiáng)韌化取得了顯著進(jìn)展。下文將會(huì)對(duì)一些常用及新型的增韌手段進(jìn)行綜述。

一、相變?cè)鲰g氧化鋁陶瓷

在相變?cè)鲰g技術(shù)中，氧化鋯（ZrO₂）是最典型的增韌材料。氧化鋯的增韌機(jī)理包括應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g、表面誘導(dǎo)增韌和微裂紋分叉增韌等，通過(guò)t-ZrO₂到m-ZrO₂的轉(zhuǎn)變對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行強(qiáng)韌化。相變?cè)鲰g陶瓷具有很強(qiáng)的溫度敏性，特別是在較高的溫度范圍內(nèi)，其相變?cè)鲰g效應(yīng)將基本失效。因此，使用溫度的局限性限制其廣泛應(yīng)用。

t→m相變尺寸效應(yīng)示意圖

l 實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用進(jìn)展

宋順林等人利用氧化鋯的相變?cè)鲰g機(jī)制，成功制備出具有高硬度和高韌性的ZTA復(fù)合陶瓷。任會(huì)蘭等人的研究進(jìn)一步表明，氧化鋯的加入可有效細(xì)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(qiáng)度和斷裂韌性均優(yōu)于純氧化鋁陶瓷。

艾云龍等人采用微波燒結(jié)技術(shù)，在1550℃保溫10 min的條件下，成功制備出15%ZrO?-Al₂O₃復(fù)合陶瓷，其硬度達(dá)到13350 MPa，斷裂韌性達(dá)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(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)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(yīng)力的作用下，增韌相可以通過(guò)晶須拔出、裂紋彎曲、裂紋橋連等機(jī)制消耗裂紋擴(kuò)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(dān)外部載荷，還能在基體內(nèi)部形成較弱界面，有效吸收外部能量，進(jìn)一步抑制裂紋擴(kuò)展。

晶須增韌機(jī)制示意圖

（左圖：拔出橋接機(jī)制；右圖：裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制）

晶須增韌主要利用其高強(qiáng)度和小粒徑特性來(lái)優(yōu)化陶瓷力學(xué)性能，但隨著晶須含量的增加，可能會(huì)導(dǎo)致基體內(nèi)部分布不均，降低材料的致密度。此外，在燒結(jié)過(guò)程中，由于晶須與基體之間的膨脹系數(shù)不同，可能會(huì)引入殘余應(yīng)力，影響增韌效果。因此，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)及確保晶須均勻分布是提高增韌效果的關(guān)鍵。

原位合成莫來(lái)石晶須增韌氧化鋁陶瓷

l 實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用進(jìn)展

①晶須增韌

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

②纖維增韌

常見(jiàn)的陶瓷纖維包括碳纖維和氧化鋁纖維。Wang等人研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)度提高55.38%，最佳斷裂韌性可達(dá)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(fù)合材料，并研究其高溫性能，發(fā)現(xiàn)該材料在1100℃時(shí)的抗彎強(qiáng)度接近150 MPa。

③碳納米管與石墨烯增韌

除了傳統(tǒng)晶須和纖維，研究者還嘗試?yán)锰技{米管（CNT）和石墨烯對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行增韌。武璽旺采用火花等離子燒結(jié)法制備CNT/Al₂O₃陶瓷，材料致密度超過(guò)98.5%，斷裂韌性提升105%，力學(xué)性能顯著增強(qiáng)。

三、顆粒彌散增韌氧化鋁陶瓷

顆粒彌散增韌主要是通過(guò)引入納米尺寸的顆粒進(jìn)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(fā)揮釘扎效應(yīng)，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(shù)應(yīng)當(dāng)盡可能接近，以減少因兩者物理性能差異帶來(lái)的界面應(yīng)力集中，確保顆粒與基體之間更好地結(jié)合。然而，該方法仍然面臨顆粒均勻分布、界面結(jié)合強(qiáng)度等挑戰(zhàn)。

根據(jù)加入顆粒的性質(zhì)，顆粒增韌可分為剛性顆粒強(qiáng)化和延性顆粒強(qiáng)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(lián)作用提升陶瓷的韌性，常見(jiàn)的包括Al、Fe、Ni、Nb等。

金屬顆粒橋聯(lián)增韌示意圖

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①剛性顆粒強(qiáng)化

Niihara等人制備SiC-Al₂O₃復(fù)合陶瓷，通過(guò)引入0.3μm、體積分?jǐn)?shù)5%的SiC顆粒，使材料的抗彎強(qiáng)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(jié)1 h制備SiC增強(qiáng)ZTA陶瓷，當(dāng)SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13 wt.%時(shí)，復(fù)合材料的最大抗彎強(qiáng)度達(dá)1180 MPa，斷裂韌性達(dá)15.9 MPa·m^1/2。Wang等人通過(guò)添加6 vol.%WC顆粒，使氧化鋁基復(fù)合陶瓷的斷裂韌性提升至5.13 MPa·m^1/2。

②延性顆粒強(qiáng)化

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

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

四、層狀結(jié)構(gòu)增韌氧化鋁陶瓷

層狀復(fù)合陶瓷的增韌主要依賴(lài)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用各層材料之間的彈性模量差異，使材料在受力時(shí)產(chǎn)生宏觀應(yīng)力，從而引導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)、橋接，達(dá)到能量耗散和增韌效果。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)在基體內(nèi)部構(gòu)建一系列垂直于應(yīng)力方向的弱界面，當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)，裂紋會(huì)在界面處發(fā)生橋接、拐折，從而降低裂紋擴(kuò)展速率，提高材料的整體韌性，并增強(qiáng)其抗缺陷能力。

然而，各層的厚度、比例和均勻性對(duì)于增韌效果至關(guān)重要，且層間界面的結(jié)合質(zhì)量直接影響材料的整體性能。因此，優(yōu)化層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍是該技術(shù)研究的關(guān)鍵。

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①Al₂O₃基層狀復(fù)合陶瓷

劉琳等人采用熱壓燒結(jié)法（1590℃）制備Al₂O₃-ZrO₂/Si₃N₄層狀復(fù)合陶瓷，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到42 MPa，斷裂韌性為4.1 MPa·m^1/2。Sun等人通過(guò)冷凍鑄造與熱壓燒結(jié)工藝制備了Al₂O₃/GO-Si₃N₄復(fù)合材料，其珍珠層狀微觀結(jié)構(gòu)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(fù)合材料

Wan等人采用無(wú)壓與擠壓鑄造滲透技術(shù)，使鋁合金滲透到仿生珍珠層狀氧化鋁支架中，并結(jié)合雙向冷凍鑄造與一步致密化方法制備支架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微層狀A(yù)l₂O₃/Al復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，其中含18%氧化鋁和AlN界面的珍珠層狀復(fù)合材料表現(xiàn)出70 MPa·m^1/2的斷裂韌性和約600 MPa的抗彎強(qiáng)度。

鋁合金滲透到仿生珍珠層狀氧化鋁支架的過(guò)程示意

五、新型增韌方式——高密度位錯(cuò)強(qiáng)韌化

位錯(cuò)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(guò)滑移機(jī)制提升其塑性和韌性。然而，陶瓷材料由于離子鍵和共價(jià)鍵的限制，位錯(cuò)難以形成和移動(dòng)，導(dǎo)致其脆性較高。

如氧化鋁陶瓷主要以離子鍵構(gòu)成，其原子間的結(jié)合力較強(qiáng)，位錯(cuò)的形成和移動(dòng)困難。因此，氧化鋁陶瓷的位錯(cuò)密度相對(duì)較低，通常表現(xiàn)為脆性材料。較低位錯(cuò)密度使得陶瓷受載時(shí)在需要位錯(cuò)移動(dòng)的位置（比如裂紋尖端處，局部變形等）而缺少位錯(cuò)，如下圖所示。

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

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

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

②動(dòng)態(tài)壓力或超高壓法：在燒結(jié)過(guò)程中施加動(dòng)態(tài)壓力或超高壓，可促進(jìn)位錯(cuò)增殖，提高陶瓷的強(qiáng)度和韌性。例如，通過(guò)200 MPa的高壓燒結(jié)氧化鋁，顯著提高位錯(cuò)密度，并改善其斷裂韌性。

③成分設(shè)計(jì)：通過(guò)成分設(shè)計(jì)引入溶質(zhì)原子產(chǎn)生局部晶格畸變是增加材料位錯(cuò)密度的有效策略，尤其適用于高熵陶瓷。高熵陶瓷因其復(fù)雜的成分和無(wú)序微觀結(jié)構(gòu)，富含晶格畸變，有利于位錯(cuò)的形核與增殖，從而展現(xiàn)出相對(duì)于單相或復(fù)相陶瓷更高的位錯(cuò)密度。

總結(jié)

氧化鋁陶瓷的強(qiáng)韌化研究已取得諸多進(jìn)展，從相變?cè)鲰g到高密度位錯(cuò)強(qiáng)韌化，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限。未來(lái)相關(guān)研究方向可能集中在多重增韌機(jī)制的協(xié)同作用及新型復(fù)合材料等方面。總之，隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)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(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域展現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。

資料來(lái)源：

付欣欣.閃燒熱處理致密氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[D].鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,2024.DOI:10.27898/d.cnki.gzhgl.2024.000237.

顧延慰,傅永慶,潘敏元,等.晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)理及其影響因素[J].宇航材料工藝,1996,(05):5-10+54.

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

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