中國(guó)粉體網(wǎng)訊  作為先進(jìn)陶瓷材料家族中最為古老的一個(gè)成員，Al₂O₃陶瓷具有其他陶瓷材料不可比擬的優(yōu)異性能，如低成本、高強(qiáng)高硬、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等，在國(guó)防工業(yè)、航空航天以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，與眾多單體陶瓷材料類似，Al₂O₃陶瓷晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的特征決定了其無(wú)法具有類似于金屬材料的塑性變形能力，因此在斷裂過(guò)程中除了通過(guò)產(chǎn)生新的斷裂面來(lái)增加表面能之外，幾乎沒(méi)有其他消耗斷裂能的方式，這導(dǎo)致了Al₂O₃陶瓷的一個(gè)致命弱點(diǎn)——脆性。

Al₂O₃陶瓷的脆性本質(zhì)是難以改變的，但可以采取一些途徑予以改善。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，形成了以引入增韌相材料為主的提升Al₂O₃陶瓷韌性的方法。

顆粒增韌

顆粒增韌是提高陶瓷材料韌性的簡(jiǎn)單方法。對(duì)Al₂O₃陶瓷而言，顆粒增韌相材料主要是高延性的金屬顆�；蚋邚椥阅Ａ康姆墙饘兕w粒。

作為增韌相，金屬顆粒主要是通過(guò)顆粒拔出、塑性變形等增韌機(jī)制促使Al₂O₃基體裂紋偏轉(zhuǎn)。此外，金屬顆粒可以一定程度上抑制Al₂O₃晶粒生長(zhǎng)，進(jìn)而改善Al₂O₃陶瓷的燒結(jié)特性。常見的金屬顆粒主要有Al、Ni、Ti、Cu和Fe等。

然而，由于金屬顆粒的彈性模量一般低于Al₂O₃陶瓷，因此金屬顆粒增韌Al₂O₃復(fù)合材料具有相對(duì)偏低的硬度和強(qiáng)度。作為增韌相，高彈性模量的非金屬顆粒能夠提高Al₂O₃陶瓷的韌性，其增韌機(jī)制主要有顆粒拔出、釘扎和裂紋偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)等。常見的非金屬顆粒主要有SiC、Si₃N₄、TiC等。

來(lái)源：浙江蔚藍(lán)航盾精密陶瓷科技有限公司

相變?cè)鲰g

純ZrO₂在1000℃附近有固相轉(zhuǎn)變：正方相（t）→單斜相（m），屬于馬氏體轉(zhuǎn)變，將產(chǎn)生約3%~5%的體積膨脹。當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t-ZrO₂晶粒的區(qū)域時(shí)，在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下，在裂紋尖端形成過(guò)程區(qū)，即過(guò)程區(qū)內(nèi)的t-ZrO₂將發(fā)生t→m相變，因而除產(chǎn)生新的斷裂表面而吸收能量外，還因相變時(shí)的體積效應(yīng)（膨脹）而吸收能量。同時(shí)由于過(guò)程區(qū)內(nèi)t→m相變粒子的體積膨脹而對(duì)裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展。具體體現(xiàn)在裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，即應(yīng)力誘發(fā)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力，降低了裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。相對(duì)而言，即是提高了材料的裂紋尖端臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子--斷裂韌性。

ZTA陶瓷，來(lái)源：法國(guó)Nanoe

將ZrO₂的t→m相變韌化作用及由于t→m相變而派生出來(lái)的顯微裂紋韌化與殘余應(yīng)力韌化作用引入Al₂O₃基體（即ZTA陶瓷），可使韌性得到顯著提高。

纖維、晶須增韌

用纖維（或晶須）以一定的方式加入到陶瓷的基體中去，一方面可以使高強(qiáng)度的纖維（晶須）來(lái)分擔(dān)外加的負(fù)荷，另一方面可以利用纖維（或晶須）與陶瓷基體的弱的界面結(jié)合來(lái)造就對(duì)外來(lái)能量的吸收系統(tǒng)，從而達(dá)到改善陶瓷材料脆性的目的。

碳納米管與石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是國(guó)際上眾多科學(xué)家關(guān)注和研究的前沿性課題，目前已有研究人員將其引入氧化鋁陶瓷中，發(fā)現(xiàn)其可以起到增韌氧化鋁陶瓷的作用。

復(fù)合增韌

隨著對(duì)Al₂O₃陶瓷增韌的研究深入，為充分利用不同增韌方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，形成了多元協(xié)同增韌方法，即通過(guò)兩種及以上的一元增韌方法協(xié)同作用進(jìn)一步提高增韌效果的方法。多元協(xié)同增韌方法已受到研究人員的廣泛關(guān)注，常見的多元協(xié)同增韌方法有：顆粒/晶須、顆粒/相變、相變/晶須、石墨烯（碳納米管）/顆粒（或相變、晶須）等。

例如，將ZrO₂相變?cè)鲰g和晶須增韌這兩種增韌同時(shí)應(yīng)用到Al₂O₃陶瓷中，產(chǎn)生十分明顯的增韌效果。

納米技術(shù)增韌

1987年德國(guó)的Karch等人首次報(bào)道了所研制的納米陶瓷具有高韌性與低溫超塑性行為，其研究結(jié)果第一次向世界展示了納米陶瓷潛在的優(yōu)異性能，為解決長(zhǎng)期困擾人們的陶瓷的脆性問(wèn)題提供了一條新的思路。

在1990年，科學(xué)家Cahn指出：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑”。

一方面，納米陶瓷由于晶粒的細(xì)化，晶界數(shù)量會(huì)大大增加，同時(shí)納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會(huì)影響到材料的宏觀強(qiáng)度，結(jié)果可使材料的強(qiáng)度、韌性大大增加。另一方面，在陶瓷基體中引入納米分散相并進(jìn)行復(fù)合，不僅可大幅度提高其強(qiáng)度和韌性，明顯改善其耐高溫性能，而且也能提高材料的硬度、彈性模量和抗高溫蠕變等性能。因此，氧化鋁陶瓷納米化及納米復(fù)合目前已成為改善其斷裂韌性的最重要途徑之一。

自增韌

通過(guò)引入添加劑或晶種來(lái)誘導(dǎo)等軸狀Al₂O₃晶粒異向生長(zhǎng)成為如板狀、棒狀、長(zhǎng)柱狀形貌的晶粒來(lái)形成自增韌Al₂O₃陶瓷得到了廣泛的研究。其增韌機(jī)制是類似于晶須對(duì)材料的裂紋橋聯(lián)增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)和晶粒拔出效應(yīng)，其中橋聯(lián)增韌是主要增韌機(jī)制。

參考來(lái)源：

[1]張?jiān)铝值?氧化鋁陶瓷增韌的研究進(jìn)展

[2]路學(xué)成等.氧化鋁陶瓷增韌技術(shù)及機(jī)理

[3]張敬強(qiáng).氧化鋁陶瓷增韌的研究現(xiàn)狀

[4]黃勇等.氧化鋁陶瓷增韌研究進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除