氧化鋁陶瓷的幾種增韌方法

　　氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁(Al2O3)為主體的陶瓷材料硬度相對(duì)比較高韌性差，為了滿足氧化鋁陶瓷在更多領(lǐng)域中應(yīng)用我們會(huì)對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行增韌處理。氧化鋁陶瓷在增韌過程中中常用的主要有以下幾種方法。

　　1、纖維、晶須增韌用纖維(或晶須)以一定的方式加入到陶瓷的基體中去，一方面可以使高強(qiáng)度的纖維(晶須)來分擔(dān)外加的負(fù)荷，另一方面可以利用纖維(或晶須)與陶瓷基體的弱的界面結(jié)合來造就對(duì)外來能量的吸收系統(tǒng)，從而達(dá)到改善陶瓷材料脆性的目的。其機(jī)理主要是裂紋偏轉(zhuǎn)或分叉、拔出效應(yīng)和橋聯(lián)效應(yīng)。

　　2、自增韌通過引入添加劑或晶種來誘導(dǎo)等軸狀A(yù)12O3晶粒異向生長(zhǎng)成為如板狀、長(zhǎng)柱狀形貌的晶粒來形成自增韌A12O3陶瓷在近十幾年得到了廣泛的研究。自增韌氧化鋁陶瓷材料是通過在原料中加入可以生成第二相的原料，控制生成條件和反應(yīng)過程，直接通過高溫化學(xué)反應(yīng)或誘導(dǎo)氧化鋁晶粒的異向生長(zhǎng)，使主晶相基體中生長(zhǎng)出晶須均勻分布的、晶粒長(zhǎng)徑比大的或晶片的增強(qiáng)體，形成陶瓷復(fù)合材料。這樣可以避免兩相不相容以及分布不均勻的缺陷，使強(qiáng)度和韌性都比用外來第二相增韌的同種材料高，從而進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。

　　3、相變?cè)鲰g當(dāng)Al2O3中加入純ZrO2(非穩(wěn)定ZrO2)粒子形成ZrO2增韌Al2O3陶瓷時(shí)，由于亞穩(wěn)四方t-ZrO2于應(yīng)力誘發(fā)下向單斜m-ZrO2的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生3%～5%的體積變化及8%左右的切應(yīng)變效應(yīng)，可以抵消外加應(yīng)力、吸收能量，從而緩和主裂紋尖端的應(yīng)力集中，可使Al2O3陶瓷韌性顯著提高。研究表明：ZrO2增韌機(jī)理有應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g、顯微裂紋增韌、細(xì)化基體晶粒、裂紋的轉(zhuǎn)向與分叉以及表面增韌等，其中相變?cè)鲰g是主要增韌機(jī)制。相變?cè)鲰g的影響因素很多，如ZrO2含量及粒徑、晶粒尺寸、其它添加劑種類和數(shù)量、晶粒取向等。其缺點(diǎn)是增韌效果隨溫度的升高而急劇下降，因此一般單純依靠相變?cè)鲰g來提高韌性的材料僅適用于溫度較低的場(chǎng)合。

　　通常在Al2O3基體中引入ZrO2的顆粒為微米級(jí)或亞微米級(jí)，使得制成的復(fù)相陶瓷中的ZrO2晶粒尺寸易于超過臨界尺寸，大大降低增強(qiáng)增韌的效果。將納米級(jí)ZrO2顆粒作為彌散相引入微米級(jí)陶瓷基體中制得納米復(fù)相陶瓷，取得了很好的效果并引起人們的重視。

　　4、顆粒彌散相增韌顆粒彌散增韌機(jī)理主要有熱應(yīng)力誘導(dǎo)微裂紋增韌、切應(yīng)力阻礙微裂紋擴(kuò)展增韌、微裂紋偏轉(zhuǎn)與分支、弱化應(yīng)力集中增韌以及細(xì)化基體晶粒。顆粒彌散增韌與溫度無關(guān)，可以作為高溫增韌機(jī)制。對(duì)顆粒增韌氧化鋁陶瓷的研究中，主要以高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高彈性模量的碳化物、氮化物、硼化物第二相粒子和具有延展性的金屬顆粒為增韌相。

　　影響第二相顆粒復(fù)合增韌效果的主要因素有：基體和第二相顆粒的彈性模量E、熱膨脹系數(shù)α和兩相的化學(xué)相容性。其中兩相的化學(xué)相容是復(fù)合的前提，即兩相間不能存在過分的化學(xué)反應(yīng)。Ep與Em相等時(shí)，不論第二相顆粒的αp是大于還是小于基體的αm都能實(shí)現(xiàn)增韌補(bǔ)強(qiáng)。

　　目前，顆粒彌散增韌的研究主要從兩個(gè)方面入手：一個(gè)是利用彌散顆粒和基質(zhì)材料的膨脹系數(shù)以及彈性模量的匹配在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，使之達(dá)到增韌的目的;另一個(gè)是通過自身顆粒尺寸效應(yīng)來提高自身的韌性，使之達(dá)到增韌的目的。

　　5、復(fù)合增韌多種增韌機(jī)制復(fù)合增韌氧化鋁陶瓷在近年來也受到了廣泛的關(guān)注，它主要包括晶須-相變復(fù)合增韌、晶須-顆粒復(fù)合增韌、多相顆粒復(fù)合增韌等。將ZrO2相變?cè)鲰g和晶須增韌這兩種增韌同時(shí)應(yīng)用到Al2O3陶瓷中，產(chǎn)生十分明顯的增韌效果。復(fù)合材料的增韌機(jī)制包括裂紋偏轉(zhuǎn)與繞過、晶須橋聯(lián)與拔出以及相變?cè)鲰g和微裂紋增韌。