氧化鋁陶瓷材料的結構屬于剛玉型，其本身具有離子鍵的特性，使得滑移系統遠沒有金屬那么多，這導致其缺乏一定的韌性、塑性。所以表現出的斷裂韌性較低，這大 大地限制了氧化鋁瓷的廣泛應用。

    本文對當前的氧化鋁瓷的增韌方法及其主要機理做一個簡要的介紹，以期給讀者帶來一些陶瓷增韌技術的基礎知識。

    氧化鋁陶瓷的常用增韌方法

    層狀結構增韌

    天然材料如竹子、貝殼等，綜合性能很好，是因其結構呈層狀分布。人們從這些天然結構得到啟示，采用仿生結構來改善陶瓷材料的脆性，提高其韌性。

    層狀復合陶瓷材料是由多層材料組成。各層的彈性模量、線脹系數不同，進而導致層間產生宏觀應力，在表面產生壓應力。受到外力作用時，能最大限度地吸收應變能，并且使裂紋沿界面產生反復偏轉、拐折。以此達到提高表面性能和整體韌性的目的。

    例如：Al2O3/Ni層狀陶瓷，利用鎳的線脹系數約為氧化鋁的）倍，在Al2O3層產生應壓力，裂紋偏轉能力大，所以該材料有較好的韌性。

    層狀陶瓷是一新型材料，前景廣闊，但其缺點主要是弱夾層會降低材料強度，平行和垂直于夾層方向的性質差別較大，呈各向異性。所以業內專家提出了采用強夾層的思路，制備出了ZTA/ Al2O3強夾層，沖擊韌性達10 Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，Al2O3陶瓷的5.6倍。一些科學家通過計算機對層狀復合陶瓷進行了模擬，發現如果軟層材料的強度太高、太低都會降低整體韌性，而提高硬、軟層層厚和彈性模量之比，硬層均勻性均可提高陶瓷韌性。這為層狀增韌陶瓷提供了一定的研究思路和優化途徑。

    纖維復合增韌

    研究表明，連續纖維對陶瓷的增韌效率較其他增韌方法大，是迄今為止陶瓷系列所能達到的最高韌性，可以達20Mpa.m1/2左右，因此是改善陶瓷材料脆性非常有效的途徑。

    該方法把強度、彈性模量較高的纖維分散在陶瓷基體中。復合材料在外力作用下，一部分載荷由纖維承擔，以此來減輕基體本身的負荷。而且，基體中的纖維在承受力大于其強度發生斷裂時，纖維產生拔出機制。此外，這些纖維在基體中也存在裂紋橋聯、偏轉來阻止裂紋的擴展。這3種增韌機制共同作用使陶瓷材料的韌性提高很多。

    目前，用于Al2O3陶瓷的纖維主要有碳纖維、碳化硅纖維、硅酸鋁纖維等多種。研究發現，提高纖維的長徑比可提高增韌效果。在纖維的使用形式上，采用纖維，的三維編織物增韌效果較好。與纖維類似，目前采用晶須增韌Al2O3瓷的也較多，效果也很好。因晶須是以單晶結構生長、直徑極小（通常小于3 um）的短纖維。其晶體缺陷少，原子排列高度有序，強度接近相鄰原子間成鍵力的理論值。理論和實踐證明，把它應用于陶瓷的增韌，對提高韌性有一定作用。如把碳化硅晶須（體積分數可達20%～30%）引入Al2O3基陶瓷中，段韌性可達8～8.5 Mpa.m1/2。

    晶須增韌的機制除了拔出、裂紋偏轉、裂紋橋聯、釘扎等機制外，自身強度高也是一個原因。因此在理論上，提高晶須強度、降低其彈性模量，提高長徑比能提高增韌效果。纖維、晶須增韌Al2O3瓷的缺點就是混合均勻性很難保證。

    自增韌

    所謂自增韌，就是在一定的工藝條件下，生長出增韌、增強相。它在一定程度上消除了基體相與增韌相在物理或化學上的不相容性，而保證了基體相與增韌相的熱力學穩定性。

    對于Al2O3陶瓷而言，異向生長晶粒增韌Al2O3成為克服氧化鋁瓷脆性的研究熱點。其主要機理是通過工藝措施，控制Al2O3晶粒的生長方向，使其沿某些晶面優勢生長成棒狀、長柱狀，起到類似晶須的增韌作用。在受到外來載荷時，裂紋尾部產生橋聯方式；而且這些異向生長的Al2O3也會產生拔出、裂紋偏轉等增韌機制，而使整個氧化鋁陶瓷的韌性得到提高。

    相變增韌

    這是研究比較早而且普遍的一種增韌方。它是人為地在材料中造成大量的極細裂紋，以吸收能量、阻止裂紋擴展。其中主要集中在ZrO2的的馬氏體相變研究上，比較成功的有ZTA,ZTM等陶瓷材料。ZrO2彌散在Al2O3基體中，由于二者的線脹系數不同，冷卻時，ZrO2顆粒受到壓應力，相變受阻。而后，在材料受到外力作用時，ZrO2顆粒上的壓力得到松弛，四方相轉變為單斜相，體積膨脹后在基體中產生微裂紋，而吸收主裂紋的能量，達到增韌效果。這就是應力誘導相變增韌機制。

    在增韌機理中，除了ZrO2的誘導相變機制外，相變產生體積膨脹，在裂紋區域向不發生相變區擠壓現象，使裂紋呈閉合趨勢，擴展困難，也可以提高韌性。部分研究人員用體積分數為10%～30%的ZrO2制備ZTA陶瓷時發現，ZrO2用量在體積分數為20%時增韌效果最好。

    小結：

    陶瓷增韌技術在未來的很長一段時間都將是材料界的熱點技術。陶瓷材料固有的高強度、耐高溫、低膨脹系數等特性如果能夠再結合高韌性，那將是材料界夢寐以求的高性能材料，運用領域極為廣泛。

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責任編輯：王元

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