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)用我們會對氧化鋁陶瓷進行增韌處理。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，一方面可以使高強度的纖維(晶須)來分擔(dān)外加的負荷，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)合來造就對外來能量的吸收系統(tǒng)，從而達到改善陶瓷材料脆性的目的。其機理主要是裂紋偏轉(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晶粒異向生長成為如板狀、長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，使主晶相基體中生長出晶須均勻分布的、晶粒長徑比大的或晶片的增強體，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，使強度和韌性都比用外來第二相增韌的同種材料高，從而進一步提高材料的力學(xué)性能。

　　3、相變增韌當(dāng)Al2O3中加入純ZrO2(非穩(wěn)定ZrO2)粒子形成ZrO2增韌Al2O3陶瓷時，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增韌機理有應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌、顯微裂紋增韌、細化基體晶粒、裂紋的轉(zhuǎn)向與分叉以及表面增韌等，其中相變增韌是主要增韌機制。相變增韌的影響因素很多，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增韌來提高韌性的材料僅適用于溫度較低的場合。

　　通常在Al2O3基體中引入ZrO2的顆粒為微米級或亞微米級，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，大大降低增強增韌的效果。將納米級ZrO2顆粒作為彌散相引入微米級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)力阻礙微裂紋擴展增韌、微裂紋偏轉(zhuǎn)與分支、弱化應(yīng)力集中增韌以及細化基體晶粒。顆粒彌散增韌與溫度無關(guān)，可以作為高溫增韌機制。對顆粒增韌氧化鋁陶瓷的研究中，主要以高熔點、高強度、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，不論第二相顆粒的αp是大于還是小于基體的αm都能實現(xiàn)增韌補強。

　　目前，顆粒彌散增韌的研究主要從兩個方面入手：一個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，使之達到增韌的目的;另一個是通過自身顆粒尺寸效應(yīng)來提高自身的韌性，使之達到增韌的目的。

　　5、復(fù)合增韌多種增韌機制復(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相變增韌和晶須增韌這兩種增韌同時應(yīng)用到Al2O3陶瓷中，產(chǎn)生十分明顯的增韌效果。復(fù)合材料的增韌機制包括裂紋偏轉(zhuǎn)與繞過、晶須橋聯(lián)與拔出以及相變增韌和微裂紋增韌。