氧化鋁基陶瓷具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、耐磨損、耐腐蝕等性能，被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域，但Al₂O₃陶瓷的抗熱震性較差，材料經(jīng)300℃溫差單次熱震后的強(qiáng)度保持率僅約為22%，因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中Al₂O₃陶瓷材料的抗熱震性能起著決定性作用。小編結(jié)合目前國(guó)內(nèi)研究者文獻(xiàn)報(bào)道，簡(jiǎn)述提高Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能的方法。

一、Al₂O₃陶瓷抗熱震性能影響因素

Al₂O₃陶瓷抗熱震性能影響因素主要有微觀結(jié)構(gòu)特征、陶瓷的表面狀況和幾何尺寸。

1.Al₂O₃陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響

Al₂O₃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒尺寸、微裂紋、氣孔率和氣孔分布等，都會(huì)對(duì)其抗熱震性能產(chǎn)生重要影響。以晶粒尺寸為例，對(duì)于致密度高的Al₂O₃陶瓷而言，在小晶粒范圍內(nèi)細(xì)晶粒的Al₂O₃陶瓷具有較好的抗熱震性能；在大晶粒范圍內(nèi)粗晶粒的Al₂O₃陶瓷具有較好的抗熱震性能。目前研究者認(rèn)為：目前研究者認(rèn)為：10μm為Al2O3粗細(xì)晶粒的界線。

圖1 熱壓燒結(jié)Al₂O₃陶瓷細(xì)晶粒尺寸的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖片

此外，氧化鋁陶瓷中氣孔非均勻分布對(duì)陶瓷強(qiáng)度和楊氏模量的降低程度大于陶瓷中氣孔均勻分布造成的影響。而陶瓷自身存在的微裂紋在熱震環(huán)境中亦非總是立即導(dǎo)致材料斷裂，這往往也是由熱震裂紋核受到氣孔抑制引起的。適量微裂紋的存在可通過(guò)微裂紋增韌機(jī)制提高陶瓷的韌性，進(jìn)而提高Al₂O₃陶瓷的抗熱震性。

2.表面狀況的影響

Al₂O₃陶瓷在使用前通常需要采用一些機(jī)械加工方法處理表面，如磨削、拋光、銑削等，導(dǎo)致表面粗糙度發(fā)生變化。Al₂O₃陶瓷表面分別經(jīng)磨削和拋光處理后的抗熱震性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面經(jīng)磨削處理后的Al₂O₃陶瓷具有更佳的抗熱震性，經(jīng)磨削和拋光處理后Al₂O₃陶瓷的臨界熱震溫差分別為235℃和185℃。這是由于磨削表面上較高的初始缺陷密度允許熱沖擊產(chǎn)生的彈性能分布在更多的裂紋上，每個(gè)裂紋的延伸量相對(duì)較小。

3.幾何尺寸的影響

Al₂O₃陶瓷的抗熱震性還受到陶瓷幾何尺寸的影響。通常降低陶瓷厚度可以提高陶瓷的臨界熱震溫差，這主要是由于彎曲應(yīng)力產(chǎn)生內(nèi)部彎曲沖量所致。

例如：采用不同測(cè)試方法測(cè)試不同厚度Al₂O₃陶瓷的抗熱震性，利用氫氧火焰加熱陶瓷一個(gè)表面，同時(shí)將另一表面放入淬火介質(zhì)中冷卻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)陶瓷厚度從2mm增加到6mm時(shí)，陶瓷失效溫度由342℃升高到700℃，即陶瓷越厚，抗熱震性越好。從陶瓷厚度對(duì)抗熱震性能的影響角度來(lái)看，整體拉伸應(yīng)力隨著陶瓷厚度的增加而降低，陶瓷厚度的增加要求更高的熱震溫差以防引發(fā)失效。

圖2 不同幾何尺寸氧化鋁陶瓷

二、提高Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能的措施

1、第二相法提高Al₂O₃陶瓷抗熱震性

為了提高Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能，在Al₂O₃陶瓷基體中引入適當(dāng)、適量的第二相是一種有效方法，引入的第二相既可以是非金屬材料，又可以為金屬材料，引入形式既可是顆粒，也可是晶須、纖維或溶膠。

（1）引入ZrO₂

ZrO₂添加到Al₂O₃陶瓷中，可以提高陶瓷的抗熱震性、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。第二相顆粒彌散強(qiáng)化、四方ZrO₂應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g和微裂紋增韌是提高Al₂O₃陶瓷力學(xué)性能的主要機(jī)理。

圖3 不同ZrO₂添加量下Al₂O₃抗熱震陶瓷的SEM圖片

添加不同含量ZrO₂后Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能，如下表所示。

（2）引入稀土化合物

稀土化合物常常作為添加劑應(yīng)用在Al₂O₃陶瓷中，應(yīng)用最多的是稀土氧化物，其次為稀土鹵化物。由于稀土氧化物具有特殊的物理和化學(xué)性能，故已被用于提高Al2O3陶瓷性能方面。

以添加CeO₂為例，當(dāng)添加CeO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，Al₂O₃陶瓷經(jīng)200～600℃熱震溫差（水冷）后的抗熱震性能最佳。一方面，添加CeO₂能夠增加Al₂O₃陶瓷的斷裂韌性;另一方面，當(dāng)CeO₂添加量為1.5%時(shí)，陶瓷的氣孔率為1.16%，而當(dāng)CeO₂添加量為1%時(shí)，陶瓷的氣孔率為4.18%，適量的氣孔率不僅可以鈍化裂紋尖端、減少應(yīng)力集中，而且還能起到隔熱作用，從而提高了陶瓷的抗熱震性。因此，添加CeO₂提高Al₂O₃陶瓷抗熱震性的原因可以歸結(jié)于增韌和適當(dāng)氣孔的協(xié)同作用，主要貢獻(xiàn)者為增韌作用，但氣孔也會(huì)影響其抗熱震性。添加不同稀土化合物后Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能，見下表。

2、添加低熱膨脹系數(shù)組元

在Al₂O₃陶瓷中添加堇青石、莫來(lái)石、紅柱石、鈦酸鋁、鋰霞石等具有較低熱膨脹系數(shù)或負(fù)膨脹系數(shù)的組元，可以降低陶瓷的熱膨脹系數(shù)，從而有利于提高陶瓷的抗熱震性。

堇青石是一種具有較低熱膨脹系數(shù)的礦物材料，堇青石可采用天然礦物高溫固相反應(yīng)法、高純氧化物高溫固相反應(yīng)合成法、工業(yè)或農(nóng)業(yè)廢料合成法和溶膠凝膠法和低溫燃燒合成法等制備，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷、耐火材料、多孔材料、介電材料、紅外材料和電子封裝材料等領(lǐng)域。

圖4 含有10%堇青石的Al₂O₃抗熱震陶瓷的SEM圖片

將堇青石添加到Al₂O₃陶瓷中，可以降低材料的熱膨脹系數(shù)，從而提高Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能。研究發(fā)現(xiàn)，Al₂O₃-堇青石陶瓷在1230～1280℃燒成溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨燒成溫度的升高而增大，這與陶瓷致密度隨燒成溫度的升高而增大有關(guān)．氣體熱容比Al₂O₃晶體熱容低，且會(huì)使聲子發(fā)生散射，因而隨著燒成溫度的升高，氣孔減少，熱導(dǎo)率提高．Al₂O₃-堇青石陶瓷經(jīng)過(guò)10次800℃熱震溫差(水冷)和40次600℃熱震溫差(水冷)測(cè)試后，陶瓷尚未開裂。

添加不同低熱膨脹系數(shù)組元后Al₂O₃陶瓷的抗熱震性能，見下表：

3、添加高熱導(dǎo)率組元

Al₂O₃陶瓷中添加SiC、金屬顆粒等具有較高熱導(dǎo)率的組元，可提高陶瓷熱導(dǎo)率，減小陶瓷在淬冷過(guò)程中的瞬間溫度梯度，從而減小陶瓷經(jīng)歷熱震循環(huán)后受到的熱應(yīng)力，有利于提高陶瓷的抗熱震性。

（1）SiC

SiC熱導(dǎo)率大于Al₂O₃，且熱膨脹系數(shù)小于Al₂O₃，因而將SiC添加到Al₂O₃陶瓷中，理論上可以降低陶瓷的熱膨脹系數(shù)并提高其熱導(dǎo)率。SiC多以納米顆粒或晶須形式加入到Al₂O₃陶瓷中。研究發(fā)現(xiàn)添加體積分?jǐn)?shù)為5%的SiC能夠顯著提高陶瓷的抗熱震性，Al₂O₃陶瓷的臨界熱震溫差由70℃提高至185℃。

（2）金屬

金屬通常具有較高的熱導(dǎo)率和韌性，引入到Al₂O₃陶瓷中，不僅可以通過(guò)提高陶瓷的熱導(dǎo)率緩解熱應(yīng)力，還能通過(guò)多種方式阻礙裂紋擴(kuò)展，具體方式包括裂紋偏轉(zhuǎn)、鈍化、釘扎以及金屬顆粒的拔出等，從而提高陶瓷的力學(xué)性能。

Mo顆粒的添加量（體積分?jǐn)?shù)為10%和20%）和顆粒尺寸(0.56和10μm)對(duì)Al2O3陶瓷抗熱震性能的影響，結(jié)果表明添加體積分?jǐn)?shù)為20%且尺為10μm的Mo顆粒能夠提高陶瓷的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和熱導(dǎo)率，減小陶瓷的彈性模量、熱膨脹系數(shù)和熱應(yīng)力強(qiáng)度因子，同時(shí)可以細(xì)化陶瓷晶粒。金屬Mo顆粒橋接是提高Al2O3陶瓷韌性和抗熱震性的主要原因。Mo顆粒的引入能夠使Al₂O₃陶瓷的臨界熱震溫差由200℃提高到450℃。

圖5 含有Mo顆粒Al₂O₃陶瓷中的裂紋擴(kuò)展

4、制備多孔結(jié)構(gòu)

多孔Al2O3陶瓷除了具有Al2O3陶瓷的特點(diǎn)外，還具有開口氣孔率高的特性，可用作催化劑載體、過(guò)濾材料、熱交換器、熱絕緣體和生物醫(yī)學(xué)植入物等。

研究發(fā)現(xiàn)隨著孔隙率的增加，陶瓷的室溫抗彎強(qiáng)度逐漸降低，但多孔陶瓷的臨界熱震溫差和殘余抗彎強(qiáng)度則隨著氣孔率的增加而增大。當(dāng)氣孔率為6%時(shí)，多孔Al₂O₃陶瓷的臨界熱震溫差和殘余抗彎強(qiáng)度分別為200℃和15MPa（ΔT=700℃）；而當(dāng)氣孔率大于43%時(shí)，多孔陶瓷的臨界熱震溫差和殘余抗彎強(qiáng)度分別為400℃和21MPa（ΔT=800℃）。多孔Al₂O₃-ZrO₂陶瓷抗熱震性的提高是由于孔隙的存在能夠有效緩解熱沖擊應(yīng)力，有效阻止了微裂紋的擴(kuò)展。

圖6 多孔Al₂O₃陶瓷熱震前后的SEM圖片（左圖：熱震前；右圖：熱震后）

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昕玥

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