中國粉體網訊 氧化鋁陶瓷由于其耐高溫、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等金屬材料難以相比的優點，已廣泛應用于汽車發動機、航空航天、國防軍工、冶金、醫療、光學、機械電子、化工等領域。但它同大多數陶瓷材料一樣，存在著抗熱震性差和斷裂韌性低等缺點，這嚴重限制了其應用，因此，提高氧化鋁陶瓷材料韌性至關重要。
氧化鋁陶瓷的增韌方式包括自增韌、顆粒增韌、纖維增韌、相變增韌、層狀增韌以及協同增韌等方式。
自增韌
自增韌是微結構設計增韌的一種有效增韌手段，它是通過引入添加劑或晶種，使氧化鋁陶瓷在燒結過程中形成有利于氧化鋁晶粒異向生長成為板狀、棒狀、長柱狀的晶粒動力學條件，達到增韌氧化鋁陶瓷的效果。自增韌運用原位復合技術為指導，利用材料物理化學原理原位合成自補強的陶瓷基復合材料，這種增韌技術不僅使增韌相顆粒與基體的相容性更好，同時還簡化工藝，降低制備成本，提高了陶瓷材料的高溫性能。自增韌也存在其缺點，如增韌效果不明顯、誘導劑或晶種難于尋找等。
顆粒彌散增韌
顆粒彌散增韌機理主要有切應力阻礙微裂紋擴展增韌、熱應力誘導微裂紋增韌、弱化應力集中增韌、微裂紋偏轉與分支及細化基體晶粒。氧化鋁陶瓷材料選用的粘結劑如鋁、鎳、鉻等韌性金屬顆粒作為增韌相，主要借助于金屬的塑性變形來吸收外加載荷。其主要增韌機理是當裂紋遇到增韌相時，發生裂紋移位或在顆粒處發生偏轉，以此消耗裂紋尖端的能量，達到增韌的目的。因其與溫度無關，顆粒彌散增韌可以用來作為高溫增韌的方法。
金屬顆粒增韌：陶瓷材料的力學性能可以通過添加金屬顆粒相得以提高，顆粒彌散相可以引入延性金屬相，延性金屬相也被證明是一種很有前途的增韌方法，例如Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金屬粒子引入陶瓷基體中，不僅改善了陶瓷的燒結性能，還阻礙了裂紋的擴展。
非金屬顆粒增韌：雖然金屬顆粒能使陶瓷材料的韌性增加，但由于金屬本身較軟，使得陶瓷材料的整體硬度和強度下降。為了克服金屬顆粒對陶瓷材料的不良影響，研究者開始采用SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2等非金屬顆粒增韌氧化鋁陶瓷。
晶須（纖維）增韌
晶須（纖維）增韌可以通過外加晶須（纖維）法和原位生長晶須（纖維）法添加到Al2O3陶瓷基體中混合成形燒結得到增韌陶瓷。晶須（纖維）除了可以來分擔外加的載荷還能與陶瓷基體的弱界面結合吸收系統外來能量，從而改善陶瓷材料脆性。
晶須增韌：晶須增韌Al2O3基陶瓷是研究得比較早的一種陶瓷基復合材料，晶須的宏觀形態和粉末顆粒一樣，因此可以直接將晶須分散后與基體粉末混合均勻即可，通過熱壓燒結法或常壓燒結法，即可制得致密的陶瓷刀具材料。由于晶須自身的結構使得晶須有很好的力學性能，成為陶瓷基復合材料的增強相。常用的晶須有SiC、Al2O3、ZrO2、SiO2、Si3N4和莫來石等。
纖維增韌：為了達到纖維復合增韌的目的，纖維與基體材料之間必須滿足2個條件：起增強作用的纖維的彈性系數必須高于氧化鋁陶瓷基體；纖維與基體之間必須是相容的。常用的增強纖維有碳纖維、SiC纖維等，Al2O3基體和各種纖維之間的結合不是簡單的混合物，而是一種有機的復合體，是通過非常薄的界面有機結合在一起。
相變增韌
氧化鋯在1170℃和2370℃分別發生從單斜相(m)向四方相(t)的相變和從四方相(t)向單斜相(m)的相變，t-m相變為馬氏體相變，伴有5%的體積膨脹，在氧化鋯中加入適量的穩定劑如MgO、CaO等，通過適當的加熱和冷卻，可以將四方氧化鋯相穩定到室溫，這種氧化鋯在受到外界應力情況下，會發生t-m相變產生體積膨脹，使材料具有很高的強度和韌性，可以對氧化鋁陶瓷進行增韌。
層狀增韌
人們由于受到自然界中貝殼微觀結構的啟發，萌生了層狀增韌陶瓷結構設計的構想。目前Al2O3基層狀增韌陶瓷基體大多是由多層彈性模量，線膨脹系數均不相同的材料構成。這樣層狀結構設計能夠在基體內部形成眾多與應力方向垂直的弱界面。在受到外載荷作用下，裂紋在層與層之間弱界面擴展過程中會發生反復的僑接、拐折，能夠提高材料的整體韌性和對缺陷敏感度。
協同增韌
隨著納米復合陶瓷材料增韌技術發展，通過將多種增韌方法結合起來進一步提高陶瓷斷裂韌性的技術手段，逐漸成為了近年來的研究的熱點。協同增韌就是通過兩種或者兩種以上的增韌方式協同作用達到陶瓷材料增韌的目的，目前應用較為廣泛的有相變/顆粒協同增韌、晶須/顆粒協同增韌、原位/纖維協同增韌等。
結語
以上幾種增韌方式都使氧化鋁陶瓷材料的韌性得到了一定的改善，但仍存在不足之處。運用自增韌方式增韌氧化鋁陶瓷，通過形核和生長過程控制可以生成柱狀或板狀的氧化鋁晶粒，起到一定的增韌效果，但是異相生長晶粒氧化鋁陶瓷制備工藝不夠成熟；顆粒彌散增韌簡單廉價，但增韌效果有限；晶須等一維納米材料增韌氧化鋁陶瓷有較好的效果，但生產工藝較復雜，尚不能應用于工業化生產，而且制備陶瓷材料過程中，增強體材料容易發生偏聚，易導致增韌效果不理想，還可能導致力學性能下降；相變增韌中氧化鋯在受應力作用時產生馬氏體相變而起到增韌作用，但這種增韌效果隨著溫度升高而急劇下降，這嚴重限制了材料的高溫性能；層狀增韌在燒結過程中很容易在層間或胚體內部形成缺陷，使層與層之間很難協調增韌；協同增韌氧化鋁陶瓷材料能彌補單一增韌方法的不足，極大的發揮不同增韌方式的優點，因此協同增韌是未來氧化鋁陶瓷增韌發展的趨勢。
參考資料：
儲愛民、王志謙等.Al2O3基陶瓷材料增韌的研究進展
趙介難、張寧等.Al2O3基陶瓷材料的增韌研究進展
曹晶晶.原位增韌Al2O3陶瓷基復合材料的制備與性能研究
謝佳慧.韌性氧化鋁陶瓷的國內外研究狀況和制備工藝
（中國粉體網編輯整理/初末）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除
