本文對當(dāng)前的氧化鋁瓷的增韌方法及其主要機(jī)理做一個(gè)簡要的介紹，以期給讀者帶來一些陶瓷增韌技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。

①氧化鋁陶瓷的常用增韌方法

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

層狀復(fù)合陶瓷材料是由多層材料組成。各層的彈性模量、線脹系數(shù)不同，進(jìn)而導(dǎo)致層間產(chǎn)生宏觀應(yīng)力，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。受到外力作用時(shí)，能大限度地吸收應(yīng)變能，并且使裂紋沿界面產(chǎn)生反復(fù)偏轉(zhuǎn)、拐折。以此達(dá)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(shù)約為氧化鋁的)倍,在Al2O3層產(chǎn)生應(yīng)壓力，裂紋偏轉(zhuǎn)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(diǎn)主要是弱夾層會(huì)降低材料強(qiáng)度，平行和垂直于夾層方向的性質(zhì)差別較大，呈各向異性。所以業(yè)內(nèi)專家提出了采用強(qiáng)夾層的思路，制備出了ZTA/ Al2O3強(qiáng)夾層，沖擊韌性達(dá)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(xué)家通過計(jì)算機(jī)對層狀復(fù)合陶瓷進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)如果軟層材料的強(qiáng)度太高、太低都會(huì)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(yōu)化途徑。

②纖維復(fù)合增韌

研究表明，連續(xù)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(dá)到的高韌性，可以達(dá)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(qiáng)度、彈性模量較高的纖維分散在陶瓷基體中。復(fù)合材料在外力作用下，一部分載荷由纖維承擔(dān)，以此來減輕基體本身的負(fù)荷。而且，基體中的纖維在承受力大于其強(qiáng)度發(fā)生斷裂時(shí)，纖維產(chǎn)生拔出機(jī)制。此外，這些纖維在基體中也存在裂紋橋聯(lián)、偏轉(zhuǎn)來阻止裂紋的擴(kuò)展。這3種增韌機(jī)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(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)生長、直徑極?。ㄍǔＰ∮? um）的短纖維。其晶體缺陷少，原子排列高度有序，強(qiáng)度接近相鄰原子間成鍵力的理論值。理論和實(shí)踐證明，把它應(yīng)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?jǐn)?shù)可達(dá)20%～30%）引入Al2O3基陶瓷中,段韌性可達(dá)8～8.5 Mpa.m1/2。

晶須增韌的機(jī)制除了拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋聯(lián)、釘扎等機(jī)制外，自身強(qiáng)度高也是一個(gè)原因。因此在理論上，提高晶須強(qiáng)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(diǎn)就是混合均勻性很難保證。

③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(qiáng)相。它在一定程度上消除了基體相與增韌相在物理或化學(xué)上的不相容性，而保證了基體相與增韌相的熱力學(xué)穩(wěn)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(diǎn)。其主要機(jī)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(yōu)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(shí)，裂紋尾部產(chǎn)生橋聯(lián)方式；而且這些異向生長的Al2O3也會(huì)產(chǎn)生拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機(jī)制，而使整個(gè)氧化鋁陶瓷的韌性得到提高。

④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(xì)裂紋，以吸收能量、阻止裂紋擴(kuò)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(shù)不同，冷卻時(shí)，ZrO2顆粒受到壓應(yīng)力，相變受阻。而后，在材料受到外力作用時(shí)，ZrO2顆粒上的壓力得到松弛，四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵w積膨脹后在基體中產(chǎn)生微裂紋，而吸收主裂紋的能量，達(dá)到增韌效果。這就是應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌機(jī)制。

在增韌機(jī)理中，除了ZrO2的誘導(dǎo)相變機(jī)制外，相變產(chǎn)生體積膨脹，在裂紋區(qū)域向不發(fā)生相變區(qū)擠壓現(xiàn)象，使裂紋呈閉合趨勢，擴(kuò)展困難，也可以提高韌性。部分研究人員用體積分?jǐn)?shù)為10%～30%的ZrO2制備ZTA陶瓷時(shí)發(fā)現(xiàn)，ZrO2用量在體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)增韌效果比較好。

陶瓷增韌技術(shù)在未來的很長一段時(shí)間都將是材料界的熱點(diǎn)技術(shù)。陶瓷材料固有的強(qiáng)度高、耐高溫、低膨脹系數(shù)等特性如果能夠再結(jié)合高韌性，那將是材料界夢寐以求的高性能材料，運(yùn)用領(lǐng)域極為普遍。

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