氧化鋁陶瓷具有耐高溫、抗腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，是目 前世界上生產(chǎn)量較大的工業(yè)陶瓷材料,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電 子、汽車、儀器儀表、化工、化纖、生物、航空航天等領(lǐng)域。 但氧化鋁陶瓷由于其本身的脆性而限制了它的應(yīng)用。這 是由這類材料自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的。陶瓷材料中的化學(xué)鍵 以共價(jià)鍵和離子鍵為主，這兩類化學(xué)鍵都具有較強(qiáng)的方向性 和較高的結(jié)合強(qiáng)度，致使塑性變形難、脆性大、裂紋敏感性 強(qiáng)。因此提高氧化鋁陶瓷的韌性成為該材料研究領(lǐng)域的核心 問題。
近年來，通過往陶瓷中加入或生成顆粒、晶須、纖維等 增強(qiáng)材料，使陶瓷的韌性大大改善，而且強(qiáng)度及模量也有一 定提高。增韌方法主要有顆粒增韌、晶須增韌、纖維增韌等 ，可歸納如圖1所示。
氧化鋁陶瓷增韌原理可以概述為以下幾點(diǎn)：
① 增強(qiáng)體及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場，阻礙裂紋 擴(kuò)張，增強(qiáng)韌性；
② 微裂紋的釘扎作用以及裂紋尖端、尾部效應(yīng)；
③ 增強(qiáng)體造成裂紋尖端應(yīng)力松弛、減緩裂紋擴(kuò)展；
④ 晶須、短纖維的脫粘作用，減緩裂紋擴(kuò)展；
⑤ 組織細(xì)化、抑制晶粒長大，加強(qiáng)韌性。
開展氧化鋁陶瓷材料的增韌研究，具有重要的現(xiàn)代意義 和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了減小Al2O3 基陶瓷材料的脆性，除了 采用先進(jìn)的制備工藝外，人們還研究了許多增韌的方法。
目前應(yīng)用較多的增韌方法是ZrO2增韌。ZrO2對氧化鋁陶 瓷的增韌綜合了多項(xiàng)增韌機(jī)理：
(1)相變增韌：利用四方ZrO2 馬氏體相變來改變陶瓷材料的韌性。當(dāng)ZrO2陶瓷受到外加應(yīng) 力作用時(shí)，其中的四方相ZrO2顆粒會轉(zhuǎn)變成同素異構(gòu)體單斜 ZrO2，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；
(2)微裂紋增韌：ZrO2在由四 方相向單斜相轉(zhuǎn)變時(shí)，因體積膨脹產(chǎn)生的微裂紋將起到分散 基體中主裂紋尖端能量的作用，并導(dǎo)致主裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生 扭曲和分叉，從而提高斷裂能，引起陶瓷斷裂韌性增加；
(3) 彌散增韌：基體材料中加入ZrO2顆粒，對裂紋起釘扎作用， 耗散裂紋前進(jìn)的動力。同時(shí)，顆粒在基體中受拉伸時(shí)阻止橫向截面收縮，消耗更多的能量，達(dá)到增韌目的。
1981年Evans和Mcmeeking提出殘余應(yīng)力相變增韌公式， 1982年Lange推導(dǎo)出相增韌的熱力學(xué)方程[6]。大量的研究表明 ZrO2增韌Al2O3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)，但只有定性描述，沒有定量描述。北京科技 大學(xué)的尚成嘉等[9]，研究了采用輥扎工藝制備的氧化鋯增韌 氧化鋁復(fù)相陶瓷中氧化鋯相分布的分形維數(shù)隨氧化鋯含量、 燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的變化規(guī)律，提出了利用相分布的分形 維數(shù)作為一個(gè)參量來分析相分布對陶瓷材料力學(xué)性能的影 響的可能性,指出ZrO2相的形貌及分布特征將直接或間接地 影響ZrO2的增韌效果。
中科院上海硅酸鹽研究所靳喜海和天津大學(xué)的董向紅 等，從熱力學(xué)角度探討了影響四方氧化鋯應(yīng)力誘導(dǎo)相變及 其增韌效果的主要因素，指出相變增韌效果不僅與t- ZrO2的 含量有關(guān)，還與材料的彈性模量、基體材料的韌性等有關(guān)。
晶須是具有一定長徑比(直徑0.1～1.8 μ m，長35～ l50 μ m)、且缺陷少的陶瓷單晶，具有很高的強(qiáng)度，是一種非 常好的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體。晶須增韌的機(jī)制主要 是晶須在撥出和斷裂時(shí)，都要消耗一定的能量，有利于阻止 裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性。但隨晶須含量的增加， 容易產(chǎn)生晶須團(tuán)聚，使陶瓷致密化變得困難，造成燒結(jié)體相 對密度降低。
纖維長度較陶瓷晶須長數(shù)倍，也是一種很好的陶瓷增韌 體。常用的增強(qiáng)纖維有碳纖維、SiC纖維、B纖維等。碳纖維 的密度在1.5×10－3～2.0×10－3 kg/cm 之間。氧化鋁基體和碳 纖維的結(jié)合不是簡單混合物，是一個(gè)有機(jī)的復(fù)合體，它們通 過很薄的界面有機(jī)地結(jié)合在一起。但碳纖維在400℃以上， 抗氧化性能下降，在空氣中氧化生成CO和CO2。1991年 Niihala將體積分?jǐn)?shù)5％SiC(粒徑小于300nm)加入到Al2O3，制 備的納米復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度由350MPa增加到1000MPa，斷裂 韌性由3.5 MPa·m1/2增加到4.8MPa·m1/2 [12]。我國自行研制 的纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料已獨(dú)創(chuàng)性地應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈上， 被列為定型產(chǎn)品，并應(yīng)用于各類衛(wèi)星天線窗的保護(hù)框上。
晶須和纖維也可復(fù)合使用,可用SiC、Si3N4等晶須或C、 SiC等長纖維對氧化鋁陶瓷進(jìn)行復(fù)合增韌。晶須或纖維的加 入可以增加斷裂表面，即增加裂紋的擴(kuò)展通道。當(dāng)裂紋擴(kuò)展 的剩余能量滲入到纖維(晶須)，發(fā)生纖維(晶須)的拔出、脫粘 和斷裂時(shí)，導(dǎo)致斷裂能被消耗或裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)等， 從而使復(fù)合材料韌性得到提高。而且，彈性模量及斷裂韌性 隨著SiC含量增加而提高。所以，SiC對陶瓷材料具有同時(shí)增 強(qiáng)增韌的效果。但是并不是說，晶須、纖維含量越高越好， 當(dāng)晶須、纖維含量較高時(shí)，由于其拱橋效應(yīng)使致密化變得困 難，從而引起密度的下降，以致性能下降。
隨著納米技術(shù)的發(fā)展，使納米氧化鋁粉和納米氧化鋯粉的制備成為可能，從而為提高氧化鋁基陶瓷材料的韌性開辟了一條新的途徑。由于納米陶瓷晶粒的細(xì)化、晶界數(shù)量的增 加，可使材料的強(qiáng)度、韌性大大增加。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，而且能提高材料的硬度、彈性模量和 抗高溫蠕變等性能。 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和很微結(jié)構(gòu) 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高濂等用化學(xué)共沉淀法制備了平均晶粒尺寸約20nm的Al2O3-ZrO2粒體。粉體在1000℃和200MPa下燒 結(jié)1h，平均晶粒尺寸可為50nm。
氧化鋁自增韌是指通過合理選擇成分及工藝，使一部分 氧化鋁晶粒在燒結(jié)中原位發(fā)育成具有較高長徑比的柱狀晶 粒，從而獲得晶須的一種增韌機(jī)制，也稱為原位增韌。這種技術(shù)消除了基體相與增強(qiáng)相界面的不相容性，保證了基體相 與增強(qiáng)相的熱力學(xué)穩(wěn)定，并使界面干凈，結(jié)合良好[17]。 近年來國內(nèi)外學(xué)者對氧化鋁陶瓷的自增韌進(jìn)行了大量 的研究。上海硅酸鹽研究所的吳儀權(quán)等[18]通過添加自備的 100％玻璃相的CAS（CaO- Al2O3-SiO2）玻璃粉，使CAS粉體 在燒結(jié)過程中形成非常有利于氧化鋁晶粒異相生長的動力 學(xué)條件，引發(fā)氧化鋁晶粒在某些方向上優(yōu)勢生長成棒晶。 2001年上海硅酸鹽研究所的王欣等[19]通過TiO2添加和TiO2- MgO復(fù)合添加，無壓燒結(jié)，結(jié)果都顯示出有板狀氧化鋁晶粒 生成。2002年韓國的Kwon等[20]通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05％ TiO2和0.05％SiO2，在1650℃下保溫16h得到1500 μm 長、 100μm 厚的板狀氧化鋁晶粒。2004年匡誠忠等[21]又進(jìn)一步 研究了Na2O-MgO系統(tǒng)添加劑對Al2O3陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和性 能的影響規(guī)律，原位合成Al2O3柱狀晶，使陶瓷斷裂韌性提高 至4.7MPa·m1/2。2005年董穎等[22]通過對原位生長ZrO2納微 米纖維自增韌Al2O3基陶瓷的三點(diǎn)彎曲、單邊切口梁與 Vickers壓痕測試，發(fā)現(xiàn)陶瓷硬度、彎曲強(qiáng)度與斷裂韌性在 ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％時(shí)出現(xiàn)很大值。經(jīng)SEM觀察與XRD分 析，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展主要受ZrO2- Al2O3基棒晶控制，誘發(fā)裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制，并伴隨著相變增韌機(jī)制。
另外，在氧化鋁陶瓷中添加Fe-Al／氧化鋁金屬間化合 物、添加20％～40％TiC的黑瓷、添加金屬(Cr、Co、Mo、W、 Ti等)，這些都集中了陶瓷和金屬的優(yōu)點(diǎn)掩蓋了各自本身的弱 點(diǎn)，都可以屬于氧化鋁增韌陶瓷系列。 利用鋁、鎳、鉻、鐵、鈦等韌性金屬顆粒[23]作為粘結(jié)劑 增韌氧化鋁陶瓷材料，通過金屬的塑性來吸收外加負(fù)荷,其主 要增韌機(jī)理是增韌相和裂紋之間相互作用，導(dǎo)致裂紋移位或 在顆粒處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，消耗裂紋尖端的能量，達(dá)到增韌的目的。 增韌的效果與兩相界面之間的結(jié)合強(qiáng)度有著密切關(guān)系。但金 屬顆粒增韌的結(jié)果往往降低陶瓷材料的硬度和強(qiáng)度，導(dǎo)致材 料的介電性和熱穩(wěn)定性等也下降。為了克服金屬顆粒帶來的 缺陷，人們開始使用SiC、TiC等陶瓷顆粒增韌氧化鋁[24]。通 過細(xì)化基體晶粒和裂紋屏蔽作用，耗散裂紋前進(jìn)的動力，達(dá) 到增韌目的。盡管效果不如纖維和晶須，但工藝簡便易行， 且成本低。只要顆粒的種類、大小、含量等參數(shù)選擇適當(dāng)， 增韌效果還是十分明顯的。
近年來，國外有人提出，貝殼具有的層狀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生 較大的韌性。因而我們除從組分設(shè)計(jì)上選擇不同的材料體系 外，還從材料的宏觀結(jié)構(gòu)角度來考慮進(jìn)行增韌研究。層狀復(fù) 合陶瓷是一種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬了自然界中貝殼、骨骼等 的微觀組織結(jié)構(gòu)，在脆性結(jié)構(gòu)中，加入軟質(zhì)材料以達(dá)到增韌 的目的。層狀復(fù)合陶瓷的增韌機(jī)制和傳統(tǒng)上通過消除缺陷來 提高韌性的方法不同，它是一種能量耗散機(jī)制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 將使強(qiáng)度與缺陷無關(guān)，成為一種耐缺陷材料。重慶大學(xué)陳蓓 等對單層和層狀氧化鋯陶瓷進(jìn)行了力學(xué)性能測試和分析，提 出層狀陶瓷斷裂韌性的提高，主要是通過表面壓應(yīng)力對壓痕 裂紋區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度因子的貢獻(xiàn)、提高斷裂相變量、強(qiáng)化相變增 韌效果、細(xì)化晶粒等幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)的[25，26]。 另外，控制顯微結(jié)構(gòu)，改變晶粒形狀、粒徑、晶界特性、氣孔率等提高其斷裂韌性；使用亞微細(xì)且各分布均勻氧化 鋁；提高氧化鋁分純度，改善組織結(jié)構(gòu)。這些都是增加氧化 鋁陶瓷韌性的有效手段。
氧化鋁增韌陶瓷技術(shù)在各種條件下已經(jīng)得到了廣泛的 研究，并有不少已投入了生產(chǎn)和使用。但仍然存在大量的問 題，如利用SiC晶須增韌、ZrO2相變增韌以及納米材料增韌 雖可以收到較好的增韌效果，但均有不同程度的缺陷。晶須 增韌難以解決晶須毒性及其在基體中的均勻分布的問題；當(dāng) 晶須含量過高時(shí)，陶瓷材料的致密化將變得困難。纖維增韌 要取得好的效果，必須使纖維在基體中充分浸漬且均勻布 排，但這在工藝上難以實(shí)現(xiàn)，纖維增韌的質(zhì)量很難控制。ZrO2 在受應(yīng)力作用下產(chǎn)生馬氏體相變的相變增韌，其增韌效果隨 溫度升高急劇下降，顆粒增韌的效果有限。
鑒于氧化鋁陶瓷實(shí)驗(yàn)研究遇見的問題及利于促進(jìn)生產(chǎn) 的產(chǎn)業(yè)化、精密化，筆者認(rèn)為今后需要著力加強(qiáng)的方面有：
(1) 通過分析與計(jì)算，研究高性能氧化鋁基陶瓷材料的 組分、配比、微觀結(jié)構(gòu)及可能影響陶瓷材料性能的不利因素；
(2) 利用計(jì)算機(jī)輔助分析和數(shù)字圖像處理技術(shù)，優(yōu)化設(shè) 計(jì)精密結(jié)構(gòu)陶瓷材料組分和微觀結(jié)構(gòu)，使傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì) 提高為理論指導(dǎo)下數(shù)字化設(shè)計(jì)；
(3) 加強(qiáng)納米科技在氧化鋁陶瓷增韌上的應(yīng)用；
(4) 優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高制造精度。