氧化鋁陶瓷具有很多優(yōu)異的性能，因此得以在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但是其韌性較差，限制了其在某些方面的應(yīng)用，為了解決這個(gè)問(wèn)題， 很多學(xué)者做了大量的實(shí)驗(yàn)，尋找解決氧化鋁陶瓷韌性的方法，本文研究分析了聚空心球直接添加對(duì)陶瓷性能的影響；同時(shí)研究了將聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能的影響。
觀察“不同燒成溫度下氧化鋁 聚空心球直接混入到氧化鋁 基體中(聚空心球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)的樣品斷口顯微結(jié)構(gòu)”圖可見(jiàn)，1 200～1 400 ℃時(shí)，聚空心球與基體之間連接緊密，斷裂時(shí)基體中聚空心球的斷裂方式屬于沿球斷裂。隨著燒成溫度的繼續(xù)升高， 1 450～1 550 ℃時(shí)由于氧化鋁 基體晶粒的生長(zhǎng)，聚空心球被基體晶粒擠壓變形；聚空心球與氧化鋁 基體緊密結(jié)合，樣品斷口顯示基體中聚空心球呈現(xiàn)沿球斷裂的方式。由此可見(jiàn)，不同燒成溫度條件下氧化鋁 基體中氧化鋁 聚空心球的存在形式及斷裂方式不同。燒成溫度較低(1 200～1 400℃，聚空心球緊密) 堆積在基體中，陶瓷斷裂過(guò)程中，裂紋表現(xiàn)出沿著空心球邊界擴(kuò)展的方式；隨著溫度的升高(1 450～ 1 550 ℃)，陶瓷致密化增加，聚空心球與基體結(jié)合緊密，陶瓷斷裂過(guò)程中，裂紋以穿過(guò)空心球擴(kuò)展的方式為主。
觀察“不同燒結(jié)溫度下的多孔氧化鋁陶瓷燒成收縮率”圖和“不同燒成溫度下的多孔氧化鋁陶瓷密度和顯氣孔率”圖可見(jiàn)，隨燒成溫度升高，樣品顯氣孔率降低(41%～ 25%)，燒成收縮率增加(1%～14%)。燒成溫度較低時(shí)(1 200～1 300 ℃)，由于燒成過(guò)程中產(chǎn)生的液相量相對(duì)較少，樣品致密度低，因而，收縮率較小(<8%)；隨燒成溫度升高，當(dāng)燒成溫度大于1 450 ℃時(shí)，試樣收縮率明顯增加(11%)，顯氣孔率明顯減小(36%)，樣品密度增加(由2.21 g/cm3 提高到2.84 g/cm3)，這是因?yàn)闊蓽囟鹊纳撸合嗔吭黾?，使得小顆粒被吸收的程度增加，大顆粒堆積空隙的填充度增加，試樣致密化程度增加。
觀察“不同燒結(jié)溫度下氧化鋁 陶瓷的機(jī)械性能”圖5 可見(jiàn)，隨燒成溫度增加，陶瓷的機(jī)械性能得到顯著的提高，斷裂韌性由0.5 MPa⋅m1/2 增加到2.25 MPa⋅m1/2，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度由25 MPa 增加到250 MPa。結(jié)合不同燒成溫度樣品微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果分析認(rèn)為：機(jī)械性能隨溫度增加主要由于試樣致密化程度以及基體中聚空心球斷裂方式的不同導(dǎo)致的。隨燒成溫度增加，陶瓷基體在斷裂過(guò)程中，由于裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中出現(xiàn)由沿著聚空心球斷裂轉(zhuǎn)為穿過(guò)聚空心球斷裂的方式，穿過(guò)聚空心球斷裂的過(guò)程中需要耗散更多的能量，因而機(jī)械性能較高。圖
實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)多孔層中聚空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，層狀氧化鋁陶瓷斷裂韌性出現(xiàn)了較高值(3.98 MPa⋅m1/2)。再選用聚空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的作為多孔層，研究了不同的層厚比對(duì)氧化鋁 陶瓷機(jī)械性能的影響。結(jié)果顯示，層厚比過(guò)大或過(guò)小都不利于層狀氧化鋁機(jī)械性能的提高，當(dāng)氧化鋁的致密基體層與多孔層層厚比為5/2 時(shí)，層狀氧化鋁機(jī)械性能達(dá)到較高，層狀氧化鋁斷裂韌性達(dá)到5.59 MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度達(dá)到353.77 MPa。
觀察“ 聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷的斷裂方式”圖可見(jiàn)，非層狀氧化鋁陶瓷(純的致密氧化鋁)出現(xiàn)的“一”字形斷裂方式；層厚比為3/1 的層狀氧化鋁陶瓷呈現(xiàn)階梯狀的斷裂方式；層厚比為 5/2 的層狀氧化鋁 陶瓷呈現(xiàn)較為理想的“Z”字型斷裂方式。理論分析認(rèn)為，對(duì)于層狀陶瓷，當(dāng)層與層之間的結(jié)合強(qiáng)度適中時(shí)，主裂紋擴(kuò)展到中間層陶瓷時(shí)發(fā)生鈍化、偏轉(zhuǎn)與擴(kuò)展。因此，相比較非層狀氧化鋁陶瓷(致密氧化鋁)出現(xiàn)的“一”字型斷裂方式，聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷，一方面，由于基體和聚空心球的熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致收縮大的多孔層處于張應(yīng)力，而收縮小的致密層處于壓應(yīng)力，裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋易于平行壓應(yīng)力方向而趨于垂直于張應(yīng)力方向擴(kuò)展，由于多孔層中聚空心球的存在，導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋出現(xiàn)階梯狀和“Z”字型斷裂方式，吸收斷裂能；另一方面，聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中穿過(guò)聚空心球斷裂，穿過(guò)聚空心球斷裂的過(guò)程中需要耗散更多的能量，同樣使材料機(jī)械性能提高。總而言之，聚空心球作為多孔層設(shè)計(jì)制作的層狀氧化鋁陶瓷會(huì)使材料機(jī)械得到提高。
實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)層厚比為3/1 時(shí)，多孔層厚度較薄，裂紋擴(kuò)展路徑單一，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)的路徑相對(duì)小，導(dǎo)致其能量消耗較??；當(dāng)層厚比為5/2 時(shí)，其裂紋經(jīng)過(guò)多孔弱界面層時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的主裂紋鈍化、偏轉(zhuǎn)，并且擴(kuò)展路徑得到很大的提高。同時(shí)弱界面層厚度增加，聚空心球與基體之間會(huì)產(chǎn)生更多微裂紋，可以緩解主裂紋尖端的應(yīng)力集中或使主裂紋分叉而吸收能量，較終導(dǎo)致斷裂韌性得到提高，使陶瓷材料力學(xué)性能得到優(yōu)化。
研究了氧化鋁聚空心球?qū)ρ趸X陶瓷性能的影響，得到了如下結(jié)論：
1) 不同燒成溫度條件下氧化鋁基體中氧化鋁聚空心球的存在形式及斷裂方式不一。隨著溫度的升高，陶瓷致密化增加，聚空心球與基體結(jié)合緊密，陶瓷斷裂過(guò)程中，裂紋以穿過(guò)空心球擴(kuò)展的方式為主。
2) 隨燒成溫度增加，陶瓷的機(jī)械性能得到顯著的提高，斷裂韌性由0.5 MPa⋅m1/2 增加到2.25 MPa⋅m1/2，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度由25 MPa 增加到250 MPa。
3) 聚空心球作為多孔層添加到層狀陶瓷中，通過(guò)主裂紋鈍化、偏轉(zhuǎn)、微裂紋增韌、聚空心球穿球斷裂時(shí)能量緩釋，力學(xué)性能得到優(yōu)化。當(dāng)多孔層聚空心球含量為60%，氧化鋁的致密基體層與多孔層層厚比為5/2 時(shí)，斷裂方式為“Z”字型斷裂，層狀氧化鋁機(jī)械性能達(dá)到較高，層狀氧化鋁斷裂韌性達(dá)到5.59 MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度達(dá)到353.77 MPa