A1₂O₃是應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點(diǎn)，是制造高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫等高性能要求陶瓷零部件的基礎(chǔ)材料。但其較低的力學(xué)性能和較差的抗熱震性限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)在A1₂O₃基體中引人納米SiC分散相再進(jìn)復(fù)合，可大大改善基質(zhì)材料的性能，不僅能夠提升Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷常溫、高溫力學(xué)性能和抗熱震性，并且呈現(xiàn)極好的表面機(jī)械性能和超塑性。下面小編結(jié)合Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷的制備及燒結(jié)方式進(jìn)行簡(jiǎn)要。

一、Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷粉體制備方法

高性能Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷的關(guān)鍵是制備出具有界面復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)良、顆粒分散均勻、無(wú)表面污染的陶瓷粉體原料。目前，Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷粉體制備方法主要有溶膠-凝膠法、非均相沉淀法、高能機(jī)械球磨法、原位碳熱還原法。

1.  溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法可分為以無(wú)機(jī)鹽為前驅(qū)體的膠體工藝和以金屬醇鹽為前驅(qū)體的聚合工藝。該方法是分子級(jí)可控工藝，采用膠體工藝可制得高分散、高穩(wěn)定的Al₂O₃與納米SiC水懸浮液，并結(jié)合超聲波分散和控制pH值，可進(jìn)一步打開(kāi)分子團(tuán)聚，再經(jīng)適當(dāng)熱處理后，可得到粒徑小、分散性好、混合均勻的Al₂O₃/SiC納米復(fù)合粉體。

溶膠-凝膠法制備Al₂O₃/SiC納米陶瓷粉體SEM

例如：以分析純Al（NO₃）3·9H₂O，（CH₂）6N₄和粒徑為30nm的SiC粉末為原料，采用溶膠-凝膠方法制備出黑色的干凝膠，經(jīng)煅燒后，能使大部分SiC納米顆粒均勻分布在Al₂O₃晶粒內(nèi)，合成了晶內(nèi)型的Al₂O₃/SiC納米陶瓷粉體。

2.非均相沉淀法

非均相沉淀法是利用各生成組元沉淀時(shí)的非均衡性，將分散的納米粒子外層包覆一層基質(zhì)組分或前驅(qū)體，可使納米相在混合過(guò)程中不再團(tuán)聚，再將此沉淀物煅燒形成納米陶瓷粉體。

上海硅酸鹽研究所高濂團(tuán)隊(duì)以分析純AlCl₃·6H₂O和平均顆粒尺寸為70nm的SiC為原料，氨水為沉淀劑，用非均相沉淀法制備了5vol%SiC-Al₂O₃納米復(fù)合粉體，該粉體中的納米SiC顆粒能均勻分散在γ-Al2O3顆粒間。

非均相沉淀法制備Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷粉體TEM圖片

值得注意的是：該法制備出Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷粉體，其納米級(jí)SiC顆粒被均勻包裹在Al₂O₃晶粒內(nèi)，少量SiC位于晶界上，且采用該法制備的粉體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)體的斷裂方式由氧化鋁以沿晶斷裂為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐源┚嗔褳橹鳎@微結(jié)構(gòu)更精密，材料強(qiáng)度及力學(xué)性都有較大幅度提高。

3.高能機(jī)械球磨法

利用高能機(jī)械球磨法制備A1₂O₃/SiC納米復(fù)合粉體時(shí)，一般選用微米級(jí)的A1₂O₃或小尺寸條帶碎片和SiC為原料，以水或無(wú)水甲醇為球磨介質(zhì)，用瑪瑙球、硬質(zhì)合金球等制成的硬球，可在球磨介質(zhì)中加入適當(dāng)?shù)姆稚欣谛纬删鶆虻腁1₂O₃/SiC漿料和提高該漿料的穩(wěn)定性，并對(duì)在球磨過(guò)程中A1₂O₃和SiC顆粒尺寸、成分和結(jié)構(gòu)變化通過(guò)不同時(shí)間球磨的粉體的X射線的衍射、電鏡觀察等方法來(lái)進(jìn)行監(jiān)視，進(jìn)而制得高分散的A1₂O₃/SiC納米復(fù)合粉體。

4.原位碳熱還原法

原位碳熱還原法是利用低成本的Al₂O₃/SiO₂為原料，先制得Al₂O₃/SiO₂干凝膠粉體，在1700℃進(jìn)行碳熱還原處理Al₂O₃/SiO₂干凝膠粉體后，得到晶粒尺寸約為45nm的SiC和Al₂O₃納米微晶組成的Al₂O₃/SiC復(fù)合粉體。

原位碳熱還原法制備Al₂O₃/SiC復(fù)合粉體SEM/EDS

目前，原位碳熱還原法不但被作為生產(chǎn)先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)優(yōu)良的復(fù)合陶瓷粉體的發(fā)展方向，而且可能成為一條低成本合成Al₂O₃/SiO₂納米復(fù)合粉體的新途徑。

二、Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷燒結(jié)技術(shù)

Al₂O₃/SiC納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中，必須采取相應(yīng)的措施來(lái)盡可能地控制其晶粒的團(tuán)聚、粗化和長(zhǎng)大。通過(guò)大量研究與實(shí)踐，在普通陶瓷傳統(tǒng)燒結(jié)方法的基礎(chǔ)上不斷地加以改進(jìn)和完善，逐漸形成了Al₂O₃/SiC納米陶瓷的燒結(jié)技術(shù)。

1.無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)

無(wú)壓燒結(jié)是指在大氣壓或真空狀態(tài)下對(duì)材料進(jìn)行加熱的燒結(jié)技術(shù)。例如利用β-SiC和α-Al₂O₃復(fù)合陶瓷粉體為原料，通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)制備得到的Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷，當(dāng)采用粒徑為20nm的SiC粉體作為強(qiáng)化相，可以大幅度增韌Al₂O₃/SiC陶瓷，斷裂韌性從3.0MPa·m^1/2提高到6.67MPa·m^1/2，增加122.5%。

無(wú)壓燒結(jié)制備Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷顯微結(jié)構(gòu)SEM

2.熱壓燒結(jié)技術(shù)

熱壓燒結(jié)是指對(duì)材料粉末施加單向或多向的壓力的同時(shí)把粉末加熱到熔點(diǎn)以下，通過(guò)在外加壓力作用下，使物質(zhì)發(fā)生遷移來(lái)達(dá)到樣品均勻化、致密化的一種燒結(jié)方法。與常壓燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)是：不僅可以降低燒結(jié)溫度，而且還可以抑制晶粒的生長(zhǎng)，使所得的燒結(jié)體晶粒較細(xì)，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度，而且燒結(jié)體中氣孔率也相對(duì)低。

利用熱壓燒結(jié)制備Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷材料，顆粒狀的Al₂O₃和SiC晶須兩種結(jié)構(gòu)相互穿插，各相結(jié)合致密，晶須取向隨機(jī)分布，基體為六方晶型的α-Al₂O₃。該陶瓷的維氏硬度2402HV，斷裂韌性達(dá)到7.89MPa·m^1/2。

熱壓燒結(jié)制備Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷材料SEM

3.放電等離子燒結(jié)技術(shù)

放電等離子燒結(jié)是新近發(fā)展的一種材料制備技術(shù)，是利用脈沖能、放電脈搏沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生瞬時(shí)高溫場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過(guò)程。其主要特點(diǎn)是通過(guò)瞬時(shí)產(chǎn)生的放電等離子使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)顆粒均勻地自身發(fā)熱和使顆粒表面活化，具有非常高的熱效率，可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)使燒結(jié)體達(dá)到致密化，可獲得組織均勻細(xì)小、致密度高、性能良好的納米陶瓷復(fù)合材料。

放電等離子燒結(jié)爐

上海硅酸鹽研究所高濂課題組采用非均相沉淀法制備的Al₂O₃/SiC納米復(fù)合粉體，采用放電等離子燒結(jié)法，先超快速燒結(jié)的升溫速率為6000℃/min，在燒結(jié)溫度不保溫，迅速在3min內(nèi)冷卻至600℃以下，制備出晶內(nèi)型的Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷，與熱壓燒結(jié)相比，可降低燒結(jié)溫度200℃以上，在1450℃超快速燒結(jié)得到的納米復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度高達(dá)1000MPa，維氏硬度為19GPa，斷裂韌性也比單相Al₂O₃陶瓷有所提高。

放電等離子燒結(jié)法Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷（左圖為顯微結(jié)構(gòu)SEM；右圖為斷口形貌SEM）

4.微波燒結(jié)技術(shù)

微波燒結(jié)技術(shù)主要用于陶瓷材料的燒結(jié)，是一種采用微波能直接加熱進(jìn)行燒結(jié)的方法。例如以分析純Al（NO3）₃9H₂O﹑NH₃H₂O和50nm的SiC粉體為原料，采用溶膠凝膠法制備干凝膠，經(jīng)熱處理合成Al₂O₃/SiC納米復(fù)合粉體。利用微波燒結(jié)制備Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷，并與常規(guī)燒結(jié)比較，分析了兩種燒結(jié)方法對(duì)制備試樣的力學(xué)性能影響。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)可以提高Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷的強(qiáng)度和韌性，改善材料的顯微結(jié)構(gòu)，促進(jìn)致密化和晶粒生長(zhǎng)。

Al₂O₃/SiC納米復(fù)合陶瓷不同燒結(jié)方式SEM照片（左圖為微波燒結(jié)；右圖為熱壓燒結(jié)）

三、Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷應(yīng)用

1.Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷刀具

目前市場(chǎng)上，Al₂O₃基陶瓷刀具占據(jù)了陶瓷刀具總量的2/3，而Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷刀具憑借其良好的切削性能，成為了國(guó)內(nèi)外使用廣泛的一種氧化鋁基陶瓷刀具。在燒結(jié)方式上，Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷刀具材料的燒結(jié)常用的主要有無(wú)壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。利用無(wú)壓燒結(jié)制備Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷刀具的優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)作業(yè)、生產(chǎn)成本低。

Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷刀具

2.Al₂O₃/SiC陶瓷復(fù)合分離膜

目前陶瓷膜支撐體及中間層的主要材質(zhì)Al₂O₃、堇青石、莫來(lái)石等，其中Al₂O₃占據(jù)了市場(chǎng)的主體，但其在高溫下環(huán)境下表現(xiàn)不佳，無(wú)法滿(mǎn)足高溫強(qiáng)腐蝕性等極端條件下的分離需求。Al₂O₃/SiC陶瓷復(fù)合分離膜具有良好的抗熱震性能與截留性能，在苛刻性水處理、化工行業(yè)以及高溫?zé)煔馓幚淼刃袠I(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。

Al₂O₃/SiC陶瓷復(fù)合分離膜

3.Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層

Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層具有良好的耐腐蝕性、耐磨損性和電磁波吸收性能，其在航空航天、能源等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。利用等離子噴涂制備Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層，在雷達(dá)波方面有著廣泛應(yīng)用。

Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層應(yīng)用于雷達(dá)天線罩模擬件

4.Al₂O₃/SiC耐高溫材料

Al₂O₃/SiC-C耐高溫復(fù)合材料具有高溫力學(xué)強(qiáng)度好、抗熔渣侵蝕滲透性好、抗熱震性好、重?zé)兓〉葍?yōu)點(diǎn)，在高爐出鐵溝系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)高爐鐵水與熔渣分離的重要系統(tǒng)。

Al₂O₃/SiC-C耐高溫復(fù)合材料SEM

5.Al₂O₃/SiC陶瓷型芯

Al₂O₃/SiC復(fù)合陶瓷型芯具有更好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、高溫抗蠕變性，使用溫度更高（最高溫度可達(dá)1850℃），且鋁基陶瓷型芯與型殼的熱膨脹幾乎相同，適合制造高級(jí)別的渦輪葉片。目前，Al₂O₃/SiC陶瓷型芯廣泛應(yīng)用于高爾夫球頭、船舶用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片、大型薄壁鋁合金鑄件、化工用葉輪等產(chǎn)品的精密鑄造。

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昕玥

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