Al₂O₃基陶瓷材料以其優(yōu)異的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、硬度高，且化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而其缺點(diǎn)是韌性低，容易發(fā)生脆斷，因此，提高氧化鋁陶瓷材料的韌性是其能夠在各個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)一步推廣應(yīng)用的前提。

圖1  Al₂O₃基陶瓷材料

氧化鋁陶瓷常見的增韌方法主要有顆粒彌散增韌、相變增韌、晶須增韌、原位生長增韌、復(fù)合協(xié)同增韌等方式。

一、顆粒彌散增韌

顆粒彌散增韌主要是在Al₂O₃陶瓷基體中加入高彈性模量的非金屬或具有延性的金屬作為第二相粒子，高彈性模量顆粒在基體材料拉伸時(shí)阻止橫向截面的收縮。要達(dá)到和基體相同的橫向收縮，必須增加縱向拉應(yīng)力，使材料強(qiáng)化。增加外界拉應(yīng)力就使材料消耗更多的能量，因此具有增韌效果。顆粒彌散增韌Al₂O₃基陶瓷材料主要分為金屬顆粒增韌和非金屬顆粒增韌。

1、金屬顆粒增韌

Al₂O₃基陶瓷材料可以通過添加金屬顆粒相提高其力學(xué)性能，顆粒彌散相可以引入延性金屬相。目前，延性金屬相也被證明是一種很有前途的增韌方法，添加的金屬顆粒主要包括Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金屬顆粒增韌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，一方面阻止裂紋的張開而減小裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，另一方面因裂紋擴(kuò)展而使顆粒發(fā)生塑性變形，消耗裂紋尖端的能量，達(dá)到增韌的目的。

圖2  金屬顆粒橋聯(lián)增韌示意圖

日本大阪大學(xué)的研究人員制備出了由氧化鋁（Al₂O₃）陶瓷和鈦（Ti）組成的復(fù)合材料，即Al₂O₃/Ti陶瓷基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，還可以進(jìn)行電火花加工。它們還將作為一種新型多功能復(fù)合材料用于工業(yè)產(chǎn)品和生物材料，這種復(fù)合材料表面有一層具有抗菌性能和光催化降解污染物能力的活性表層。

圖3  Al₂O₃/Ti陶瓷基復(fù)合材料

2、非金屬顆粒增韌

非金屬顆粒增韌是在Al₂O₃基陶瓷材料添加SiC、TiC、WC、TiB₂、ZrB₂等非金屬納米顆粒，達(dá)到增韌氧化鋁基陶瓷材料的目的。例如研究者在Al₂O₃基陶瓷中添加SiC顆粒（280nm左右），通過熱壓燒結(jié)法制備Al₂O₃基陶瓷復(fù)合材料，其硬度為23.4Gpa，斷裂韌性為4.8MPa·m^1/2，相較于純氧化鋁陶瓷（3MPa·m^1/2），斷裂韌性得到一定的提高。力學(xué)性能提高的原因主要是其斷裂形式從沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔眩沟每沽鸭y擴(kuò)展能力增強(qiáng)，斷裂韌性提高。

二、相變增韌

相變增韌是利用ZrO₂增韌特性，實(shí)現(xiàn)對氧化鋁陶瓷材料的增韌。其增韌機(jī)理是當(dāng)含有亞穩(wěn)四方相ZrO₂陶瓷受到外加應(yīng)力作用時(shí)，其中的四方相ZrO₂顆粒會(huì)轉(zhuǎn)變成同素異構(gòu)體單斜ZrO₂相，同時(shí)產(chǎn)生3%～5%的體積膨脹，吸收應(yīng)變能并彌合裂紋，從而提高材料的斷裂韌性。同時(shí)，由于相變所引起的體積膨脹對裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋的擴(kuò)展，表現(xiàn)在裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，從而提高抗裂紋擴(kuò)展能力。而且氧化鋯的馬氏體相變使Al₂O₃基體中產(chǎn)生顯微裂紋和殘余應(yīng)力，能使氧化鋁陶瓷的韌性提高，韌化的作用主要來自于晶粒的細(xì)化、顯微裂紋及裂紋的偏轉(zhuǎn)。

圖4  裂紋尖端應(yīng)力誘發(fā)相變韌化示意圖

值得注意是：ZrO₂顆粒增韌Al₂O₃基陶瓷的效果與材料的成分、燒結(jié)溫度、晶粒尺寸等因素密切相關(guān)。盡管相變增韌效果明顯，但是受溫度的影響很大，通過加入少量的穩(wěn)定劑，能大大提高陶瓷的高溫適應(yīng)能力，所以相變增韌的方法能獲得普遍的推廣及應(yīng)用。

三、晶須、纖維、碳納米管增韌

1、晶須增韌

晶須增韌主要是通過晶須在陶瓷中對裂紋的橋接、釘扎或偏轉(zhuǎn)及晶須的拔出等作用來顯著提高Al₂O₃基陶瓷的韌性。晶須增韌機(jī)理主要有拔出橋接機(jī)制和裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制。

（1）拔出橋接機(jī)制：晶須的拔出長度存在一個(gè)臨界值lp。當(dāng)晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時(shí)，晶須從此端拔出；如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時(shí)，晶須會(huì)在拔出的過程中產(chǎn)生斷裂。另外，晶須與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料的韌化機(jī)制和韌化效果。

（2）裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制：當(dāng)裂紋擴(kuò)展至晶須附近時(shí)，由于晶須的彈性模量較高，使得裂紋不易穿過晶須而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大大提高裂紋的擴(kuò)展距離，并吸收更多的能量，達(dá)到增韌的效果。目前，晶須本身具有很好的力學(xué)性能，使得晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料得到迅速發(fā)展，并成為最有希望的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。常用的晶須有SiC、Al₂O₃、ZrO₂、Si₃N₄和莫來石以及碳纖維等。

圖5  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Al₂O₃基陶瓷是研究得比較早的一種陶瓷基復(fù)合材料，在Al₂O₃中引入微觀晶須可以提高斷裂韌性3～4倍，利用熱壓法制備含量為20%～30% SiC晶須增韌的Al₂O₃基陶瓷，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到650MPa和8～8.5MPa·m^1/2。

2、纖維增韌

纖維與Al₂O₃基陶瓷材料達(dá)到增韌效果之間需滿足2個(gè)條件：

一是增強(qiáng)纖維的彈性系數(shù)必須高于氧化鋁陶瓷基體；

二是纖維與Al₂O₃基陶瓷材料之間必須是相容的。

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)合不是簡單的混合物，而是一種有機(jī)的復(fù)合體，是通過非常薄的界面有機(jī)結(jié)合在一起。

圖5  Al₂O₃基陶瓷基片

3、碳納米管增韌

碳納米管具有極高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量。其模量可達(dá)1TMpa，與金剛石模量幾乎相同，將碳納米管作為Al₂O₃基陶瓷材料的增強(qiáng)體，可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性。

碳納米管增韌Al₂O₃基陶瓷材料機(jī)理是：利用短纖維增韌的作用，碳納米管力學(xué)性能優(yōu)異，在拔出和斷裂時(shí)，都要消耗更多的能量，有利于阻止陶瓷裂紋的擴(kuò)展。此外，碳納米管對陶瓷晶粒的橋聯(lián)、釘扎等作用，能達(dá)到傳遞和均攤載荷的目的，使陶瓷裂紋擴(kuò)展方式由沿晶斷裂轉(zhuǎn)化為穿晶斷裂，能顯著提高Al₂O₃陶瓷的韌性。碳納米管還能與陶瓷形成獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使裂紋沿晶界發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣有助于提高Al₂O₃陶瓷的斷裂韌性。

四、原位生長晶須增韌

原位生長晶須增韌是通過原位生長的方式來制備晶須，常用的制備方法是 碳熱還原法，即通過生長助劑的引導(dǎo)，使前驅(qū)體在基體內(nèi)部按照特定取向生長排列，在基體中形成晶須。

該增韌方法優(yōu)點(diǎn)是：獲得的晶須在基體中分布均勻，有效地提高了晶須在基體 中的含量，同時(shí)改善了晶須在基體中的均勻度，使陶瓷的力學(xué)性能達(dá)到各向同性的效果。

五、復(fù)合增韌

目前，通過采用多種增韌機(jī)制復(fù)合的方式提高Al₂O₃基陶瓷材料韌性受到廣泛的關(guān)注，主要方法有：多相顆粒復(fù)合增韌、晶須－顆粒復(fù)合增韌、晶須－相變復(fù)合增韌等。

參考文獻(xiàn)：

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2、顧延慰、傅永慶、潘敏元，晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)理及其影響因素，宇航材料工藝。

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作者：樂心