1、Al₂O₃陶瓷的基本结构

Al₂O₃陶瓷材料因具有低密度、耐高温、耐腐蚀、高硬度、耐磨损以及优异的化学稳定性等优点，被广泛应用于航空航天、机械电子、医疗以及化工等领域。由于Al₂O₃陶瓷材料的晶体结构属于刚玉型，由强方向性的离子键和共价键结合，导致其自身具有高脆低韧的特性，而这一特性也制约了Al₂O₃陶瓷材料的实际应用。Al₂O₃有许多同质多晶体，典型的晶体结构有α-Al₂O₃、β-Al₂O₃和γ-Al₂O₃种典型晶型。α-Al₂O₃为刚玉型结构，属于三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，其中O^2-按六方紧密堆积，Al³⁺填充于2/3的八面体空隙，结构如图1所示。α-Al₂O₃结构最紧密，活性最低，是3种主要形态中最稳定的晶型，在所有温度下都能稳定存在。自然界中只存在α-Al₂O₃，当温度达到1000～1600℃时，其他晶型都会不可逆地转变为α-A12O₃。Al₂O₃陶瓷的主晶相为α-Al₂O₃。表1为3种晶型的性质。

表1 Al₂O₃陶瓷三种性质

图1 Al₂O₃陶瓷材料的晶格结构

2、Al₂O₃陶瓷材料增韧机理

针对于Al₂O₃陶瓷材料的高脆低韧的特点，国内外研究工作者做了大量研究来改善Al₂O₃陶瓷材料的断裂韧性。根据陶瓷材料的裂纹扩展行为及断裂机理，可知克服陶瓷脆性的关键是有效减少裂纹源和合理控制裂纹扩展速度；提高陶瓷材料自身抵抗裂纹扩展能力和尽量避免应力在裂纹尖端集中。目前关于Al₂O₃陶瓷材料的增韧方式主要包括以下5点：

1)Al₂O₃ 基陶瓷颗粒弥散增韧；

2)Al₂O₃ 基陶瓷层状增韧；

3)Al₂O₃ 基陶瓷自增韧；

4)Al₂O₃ 基陶瓷微裂纹增韧；

5)Al₂O₃ 基陶瓷晶须(纤维)增韧；

2.1、Al₂O₃ 基陶瓷颗粒弥散增韧

纳米颗粒弥散增韧是提高陶瓷材料强度和韧性最简单的增韧方式，根据添加颗粒的属性可以分为刚性颗粒强化和延性颗粒强化。刚性颗粒多为非金属陶瓷颗粒( 非金属粉末)，主要有TiC、SiC和Si3N4等。因为非金属粉末具有高弹性模量，作为增韧相添加到Al₂O₃ 陶瓷基体中，形成的复合陶瓷材料的韧性强度要比单相Al₂O₃陶瓷高很多，特别是高温断裂韧性。延性颗粒强化Al₂O₃基陶瓷主要是以金属颗粒作为增韧相添加到陶瓷材料的基体中。常见的金属颗粒体系有：Cr/Al₂O₃、Fe/Al₂O₃、Ni/Al₂O₃和Mo /Al₂O₃等。延性金属单质或金属间化合物颗粒作为增韧相，不仅可细化Al₂O₃晶粒，改善烧结性能，还能以多种方式阻碍裂纹的扩展，如金属粒子的拔出、塑性变形以及裂纹桥接、偏转、钉扎等作用，进而改善Al₂O₃陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。图2为延性颗粒裂纹桥联示意图。

图2 延性颗粒裂纹桥联示意图

2.2、Al₂O₃ 基陶瓷层状增韧

人们由于受到自然界中贝壳微观结构的启发，萌生了层状增韧陶瓷结构设计的构想。目前Al₂O₃基层状增韧陶瓷基体大多是由多层弹性模量，线膨胀系数均不相同的材料构成。这样层状结构设计能够在基体内部形成众多与应力方向垂直的弱界面。在受到外载荷作用下，裂纹在层与层之间弱界面扩展过程中会发生反复的侨接拐折，能够提高材料的整体韧性和对缺陷敏感度。

2.3、Al₂O₃ 基陶瓷自增韧

自增韧技术，就是在一定的工艺条件下，生长出增韧、增强相。它在一定程度上消除了基体相与增韧相在物理或化学上的不相容性，而保证了基体相与增韧相的热力学稳定性。对于Al₂O₃基陶瓷自增韧技术主要通过在基体中引入添加剂或晶种两种方式来实现Al₂O₃基陶瓷增韧。引入晶种法是通过原位复合技术在氧化铝原料中加入某种可以生成第二相的原料，控制生成条件和反应过程，使添加的第二相原位生成晶粒长径比大、晶须均匀分布的晶片增强体。

对于Al₂O₃基陶瓷自增韧技术而言，如何优化制备工艺，进而生长出性能优异，呈三维网状分布的棒状、长柱状甚至针状氧化铝晶粒或相容性好的其他棒晶，是自增韧技术需要进一步研究的方向。

2.4、Al₂O₃陶瓷微裂纹增韧

微裂纹增韧是指因热膨胀失配或相变诱发出显微裂纹，这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开而分散和吸收能量，使主裂纹扩展阻力增大，从而使断裂韧性提高。微裂纹增韧在众多的复相陶瓷体系中得到证实，如ZrO₂增韧Al₂O₃陶瓷材料。图3为Al₂O₃陶瓷微裂纹增韧机理示意图。

颗粒与基体膨胀系数αp 和αm，在颗粒与基体之间可能造成热膨胀系数失配（Δα =αp–αm），颗粒受力。

当Δα< 0，颗粒受压应力，基体受拉应力，裂纹通过基体扩展；

当Δα> 0，颗粒受拉应力，基体受压应力，裂纹通过颗粒扩展（穿晶）；

但也有可能裂纹绕过颗粒在颗粒与基体界面扩展（沿晶）。不管何种情况，裂纹均增加了扩展的路径，因此增加了裂纹扩展的阻力，消耗了能量（新的表面），提高了材料的韧性。

图3 Al₂O₃陶瓷微裂纹增韧机理示意图

2.5、Al₂O₃ 基陶瓷晶须(纤维)增韧

晶须(纤维)增韧Al₂O₃基陶瓷较其它增韧方法相比是迄今为止增韧效果最好方法。可以通过外加晶须(纤维)法和原位生长晶须(纤维)法添加到Al₂O₃陶瓷基体中混合成形烧结得到增韧陶瓷。晶须(纤维)除了可以来分担外加的载荷还能与陶瓷基体的弱界面结合吸收系统外来能量，从而改善陶瓷材料脆性。

增韧主要机理为:

v 裂纹桥联机制：裂纹在基体扩展的过程中，晶须( 纤维)可以将裂纹尖端区域和基体界面开裂区域裂纹桥联起来在裂纹的表面形成闭合应力，可有效抑制裂纹扩展；

v 裂纹偏转机制：裂纹在扩展过程中遇到晶须纤维界面等时，裂纹只能沿结合较弱的界面扩散，因此裂纹在材料基体中的扩展路程增长，能够吸收更多的断裂能量；

v 拔出效应机制；当基体受到外载荷时，基体传向晶须的力会在界面开裂区和晶粒拔出区二者界面上产生剪应力 应力的持续增大会导致晶粒断裂从基体中拔出 晶粒拔出的过程中界面摩擦会增加外界载荷能量消耗，减小裂纹在基体中扩展速度。

图4 裂纹偏折示意图 (a)裂纹倾斜，(b)裂纹扭转

作者：小龙

参考文献

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