氧化鋁陶瓷是氧化物中最穩定的物質 , 具有機械強度高 、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點， 在航天 、航空、紡織、建筑等方面 ,具有廣闊的應用前景。但是 ,由于它高脆性和均勻性差等致命弱點 ,影響了陶瓷零部件的使用安全性 ,因此，提高氧化鋁陶瓷的韌性是亟待解決的重要問題。

    氧化鋁陶瓷為何如此脆呢？

    金屬材料很容易產生塑性變形，原因是金屬鍵沒有方向性。而在陶瓷材料中，原子間的結合鍵為共價鍵和離子鍵，共價鍵有明顯的方向性和飽和性，而離子鍵的同號離子接近時斥力很大，所以主要由離子晶體和共價晶體組成的陶瓷，滑移系很少，一般在產生滑移以前就發生斷裂。

    為了減少氧化鋁基陶瓷材料的脆性 ,除了采用先進的制備工藝外 ,還需要在氧化鋁陶瓷的增韌技術方面開展廣泛及深入的研究。目前 ,該研究主要集中在以下幾個方面 。

    1 相變增韌

    把相變作為陶瓷增韌的手段并取得顯著效果是從部分穩定氧化鋯提高抗熱震性的研究開始的。由于氧化鋯相變的自身特點， 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，被證明具有較好的增韌效果 。目前 , 基于相變增韌的 ZTA 已可用作許多零部件的結構材料。

    純氧化鋯在1000 ℃附近有固相轉變 : 正方相（ t） →單斜相（ m） ,屬于馬氏體轉變 ,將產生 3%～5 %的體積膨脹 。當裂紋擴展進入含有 t -ZrO2 晶粒的區域時 ,在裂紋尖端應力場的作用下 ,在裂紋尖端形成過程區，即過程區內的 t -ZrO2 將發生t→m相變 ,因而除產生新的斷裂表面而吸收能量外 , 還因相變時的體積效應（ 膨脹） 而吸收能量。同時由于過程區內t→m 相變粒子的體積膨脹而對裂紋產生壓應力 ,阻礙裂紋擴展。

    相對而言， 即是提高了材料的裂紋尖端臨界應力強度因子——斷裂韌性。將 ZrO2 的 t→ m 相變韌化作用及由于 t →m 相變而派生出來的顯微裂紋韌化與殘余應力韌化作用引入氧化鋁基體，可使韌性得到顯著提高。

    至今為止， 利用部分穩定氧化鋯的相變增韌是最為成功的增韌方法之一 , 但是由于許多脆性材料并不一定具備這種有利于增韌的相變， 并且還受溫度的影響較大，所以這種增韌方法還不能得到普遍應用。

    2 晶須 、纖維和碳納米管增韌

    相對于氧化鋁基陶瓷的相變增韌， 利用晶須和纖維增韌是一種比較有發展前途的增韌技術。晶須在拔出和斷裂時 ,都要消耗一定的能量， 有利于阻止裂紋的擴展 。提高晶須強度和降低晶須彈性模量有利于材料韌性提高 ; 增大晶須尺寸（ 長度 、半徑和長徑比） 能提高晶須增韌效果。

    在陶瓷基體中加入定向或取向或無序排布的纖維，可獲得高強度和高韌性的陶瓷復合材料， 這已成為氧化鋁陶瓷領域的發展方向之一。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： ①起增強作用的纖維彈性系數必須高于氧化鋁陶瓷基體的彈性系數；②纖維與基體之間必須是相容的。

    3 顆粒彌散增韌

    陶瓷材料的機械性能可以通過添加顆粒金屬相得以提高，在脆性陶瓷中引入延性金屬相被證明也是一種很有前途的增韌方法。金屬粒子作為延展性第二相引入陶瓷基體內，不僅改善了陶瓷的燒結性能，而且可以以多種方式阻礙陶瓷材料中裂紋的擴展， 使得復合材料的抗彎強度和斷裂韌性得以提高 。

    當其形狀是顆粒狀時， 增韌機制主要是裂紋偏轉； 而金屬的塑性變形則主要發生于金屬呈纖維、薄片等形狀存在的復合材料中。陶瓷與金屬間化合物都是可用于高溫使用的材料。

    通過細化基體晶粒和裂紋屏蔽作用 , 耗散裂紋前進的動力 ,達到增韌目的 。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 、含量等參數選擇適當 ,增韌效果還是十分明顯的。

    4  納米技術增韌

    納米材料與納米技術方面的研究有可能使陶瓷增韌技術獲得革命性突破。一方面 ,納米陶瓷由于晶粒的細化 , 晶界數量會大大增加 ,同時納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響到材料的宏觀強度 ,結果可使材料的強度、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行復合 , 不僅可大幅度提高其強度和韌性 ,明顯改善其耐高溫性能。

    因此 ,氧化鋁陶瓷納米化及納米復合目前已成為改善其斷裂韌性的最重要途徑之一。

    納米復相陶瓷的強韌化機理 , 主要通過以下幾個效應體現： ①彌散相的引入有效地抑制了基質晶粒的生長和減輕了晶粒的異常長大 ; ②彌散相或彌散相周圍存在局部應力 ,使晶粒細化而減弱主晶界的作用 ; ③納米粒子高溫牽制位錯運動 , 使高溫力學性能如硬度 、強度及抗蠕變性得到改善。

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責任編輯：殷鵬飛

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