氧化铝陶瓷作为一种广泛应用的先进陶瓷材料，不仅具有优异的力学性能和电学性能，还具有原料来源广泛、成本低廉等其它陶瓷材料难以比拟的优点。然而，氧化铝陶瓷也有着陶瓷材料共同的弱点——韧性低，其断裂韧性通常只有3-4MPa·m²左右，极大地影响了氧化铝陶瓷用作载荷零部件的工作可靠性和使用安全性。

氧化铝陶瓷

为提高其力学性能，科学家们围绕强韧化机制展开了深入研究，并提出了一系列改性方法，如弥散增韧、纳米结构优化、复相陶瓷等。近年来，随着先进制造技术的发展，氧化铝陶瓷的强韧化取得了显著进展。下文将会对一些常用及新型的增韧手段进行综述。

一、相变增韧氧化铝陶瓷

在相变增韧技术中，氧化锆（ZrO₂）是最典型的增韧材料。氧化锆的增韧机理包括应力诱导相变增韧、表面诱导增韧和微裂纹分叉增韧等，通过t-ZrO₂到m-ZrO₂的转变对氧化铝陶瓷进行强韧化。相变增韧陶瓷具有很强的温度敏性，特别是在较高的温度范围内，其相变增韧效应将基本失效。因此，使用温度的局限性限制其广泛应用。

t→m相变尺寸效应示意图

l 实验研究与应用进展

宋顺林等人利用氧化锆的相变增韧机制，成功制备出具有高硬度和高韧性的ZTA复合陶瓷。任会兰等人的研究进一步表明，氧化锆的加入可有效细化氧化铝颗粒，减少微裂纹，提高材料的致密度，在相同条件下，氧化锆增韧氧化铝陶瓷的抗弯强度和断裂韧性均优于纯氧化铝陶瓷。

艾云龙等人采用微波烧结技术，在1550℃保温10 min的条件下，成功制备出15%ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷，其硬度达到13350 MPa，断裂韧性达6.41 MPa·m^1/2，比普通氧化锆-氧化铝基陶瓷的韧性提高78%，表现出优异的力学性能。

二、晶须/纤维增韧氧化铝陶瓷

晶须/纤维增韧是指在陶瓷基体中引入高性能的陶瓷纤维或晶须，以改善材料的断裂韧性。在外加应力的作用下，增韧相可以通过晶须拔出、裂纹弯曲、裂纹桥连等机制消耗裂纹扩展能量，从而提高陶瓷的韧性。此外，晶须/纤维不仅能与陶瓷基体共同承担外部载荷，还能在基体内部形成较弱界面，有效吸收外部能量，进一步抑制裂纹扩展。

晶须增韧机制示意图

（左图：拔出桥接机制；右图：裂纹偏转机制）

晶须增韧主要利用其高强度和小粒径特性来优化陶瓷力学性能，但随着晶须含量的增加，可能会导致基体内部分布不均，降低材料的致密度。此外，在烧结过程中，由于晶须与基体之间的膨胀系数不同，可能会引入残余应力，影响增韧效果。因此，优化界面结构及确保晶须均匀分布是提高增韧效果的关键。

原位合成莫来石晶须增韧氧化铝陶瓷

l 实验研究与应用进展

①晶须增韧

目前，碳化硅（SiC）晶须是最常见的增韧相。例如，Garrnier采用热压烧结法制备SiC晶须增韧Al₂O₃基陶瓷，所得材料的相对密度接近100%，并且该复合材料的抗弯强度范围在618-660 MPa之间，断裂韧性高达8.0 MPa·m^1/2。

②纤维增韧

常见的陶瓷纤维包括碳纤维和氧化铝纤维。Wang等人研究发现，在3D打印的氧化铝陶瓷中添加5 wt.%碳纤维后，其断裂韧性提高47.56%，抗弯强度提高55.38%，最佳断裂韧性可达4.53±0.46 MPa·m^1/2。此外，Zhu等人采用溶胶-凝胶法制备Al₂O₃/Al₂O₃复合材料，并研究其高温性能，发现该材料在1100℃时的抗弯强度接近150 MPa。

③碳纳米管与石墨烯增韧

除了传统晶须和纤维，研究者还尝试利用碳纳米管（CNT）和石墨烯对氧化铝陶瓷进行增韧。武玺旺采用火花等离子烧结法制备CNT/Al₂O₃陶瓷，材料致密度超过98.5%，断裂韧性提升105%，力学性能显著增强。

三、颗粒弥散增韧氧化铝陶瓷

颗粒弥散增韧主要是通过引入纳米尺寸的颗粒进入氧化铝基体，利用颗粒与基体材料间的相互作用和颗粒自身的特性，发挥钉扎效应，从而提高材料的断裂韧性。所掺入的纳米颗粒与氧化铝基体的弹性模量和热膨胀系数应当尽可能接近，以减少因两者物理性能差异带来的界面应力集中，确保颗粒与基体之间更好地结合。然而，该方法仍然面临颗粒均匀分布、界面结合强度等挑战。

根据加入颗粒的性质，颗粒增韧可分为刚性颗粒强化和延性颗粒强化。刚性颗粒通常是高弹性模量的非金属材料，例如SiC颗粒、WC颗粒等。延性颗颗粒一般为金属颗粒，主要利用裂纹尖端未断裂的颗粒在裂纹上下表面起桥联作用提升陶瓷的韧性，常见的包括Al、Fe、Ni、Nb等。

金属颗粒桥联增韧示意图

l 实验研究与应用进展

①刚性颗粒强化

Niihara等人制备SiC-Al₂O₃复合陶瓷，通过引入0.3μm、体积分数5%的SiC颗粒，使材料的抗弯强度从350 MPa提高至1 GPa，断裂韧性从3.5 MPa·m^1/2提高至4.7 MPa·m^1/2。Liu等人采用热压法，在1430-1630℃烧结1 h制备SiC增强ZTA陶瓷，当SiC颗粒质量分数为13 wt.%时，复合材料的最大抗弯强度达1180 MPa，断裂韧性达15.9 MPa·m^1/2。Wang等人通过添加6 vol.%WC颗粒，使氧化铝基复合陶瓷的断裂韧性提升至5.13 MPa·m^1/2。

②延性颗粒强化

张伟等人采用非均相沉淀法，结合热压烧结技术（1500℃），制备FeAl₂O₃复合陶瓷，当Fe含量为10 mol%时，其断裂韧性达5.62 MPa·m^1/2，比单相氧化铝陶瓷提高了57%。

Sekino等人通过Ni(NO₃)₂·6H₂O与Al₂O₃原料合成Al₂O₃/Ni复合陶瓷，其中含5 vol.%Ni的陶瓷抗弯强度达到1090 MPa，断裂韧性为3.5 MPa·m^1/2。

四、层状结构增韧氧化铝陶瓷

层状复合陶瓷的增韧主要依赖多层结构设计，利用各层材料之间的弹性模量差异，使材料在受力时产生宏观应力，从而引导裂纹偏转、桥接，达到能量耗散和增韧效果。这种结构通过在基体内部构建一系列垂直于应力方向的弱界面，当应力集中时，裂纹会在界面处发生桥接、拐折，从而降低裂纹扩展速率，提高材料的整体韧性，并增强其抗缺陷能力。

然而，各层的厚度、比例和均匀性对于增韧效果至关重要，且层间界面的结合质量直接影响材料的整体性能。因此，优化层状结构设计仍是该技术研究的关键。

l 实验研究与应用进展

①Al₂O₃基层状复合陶瓷

刘琳等人采用热压烧结法（1590℃）制备Al₂O₃-ZrO₂/Si₃N₄层状复合陶瓷，其抗弯强度达到42 MPa，断裂韧性为4.1 MPa·m^1/2。Sun等人通过冷冻铸造与热压烧结工艺制备了Al₂O₃/GO-Si₃N₄复合材料，其珍珠层状微观结构使材料的断裂韧性提升至9.59 MPa·m^1/2。

②仿生珍珠层状复合材料

Wan等人采用无压与挤压铸造渗透技术，使铝合金渗透到仿生珍珠层状氧化铝支架中，并结合双向冷冻铸造与一步致密化方法制备支架。实验结果显示，微层状Al₂O₃/Al复合材料具有较高的强度和韧性，其中含18%氧化铝和AlN界面的珍珠层状复合材料表现出70 MPa·m^1/2的断裂韧性和约600 MPa的抗弯强度。

铝合金渗透到仿生珍珠层状氧化铝支架的过程示意

五、新型增韧方式——高密度位错强韧化

位错是晶体材料的一种微观缺陷，在金属材料中广泛存在，并通过滑移机制提升其塑性和韧性。然而，陶瓷材料由于离子键和共价键的限制，位错难以形成和移动，导致其脆性较高。

如氧化铝陶瓷主要以离子键构成，其原子间的结合力较强，位错的形成和移动困难。因此，氧化铝陶瓷的位错密度相对较低，通常表现为脆性材料。较低位错密度使得陶瓷受载时在需要位错移动的位置（比如裂纹尖端处，局部变形等）而缺少位错，如下图所示。

（a）位错密度低时，受力时需要其先形核；（b）位错密度高时，受力时能提供充足位错

近年来，研究者们探索了在陶瓷材料中引入高密度位错的方法，以改善其力学性能，主要包括以下几种。

①表面处理法：通过维氏压痕、喷丸等手段在陶瓷表面引入高密度位错，提高断裂韧性。但该方法只能将高密位错引入陶瓷材料表面，难以用于多晶陶瓷，难以将位错引入晶粒内部，同时容易产生新裂纹。

②动态压力或超高压法：在烧结过程中施加动态压力或超高压，可促进位错增殖，提高陶瓷的强度和韧性。例如，通过200 MPa的高压烧结氧化铝，显著提高位错密度，并改善其断裂韧性。

③成分设计：通过成分设计引入溶质原子产生局部晶格畸变是增加材料位错密度的有效策略，尤其适用于高熵陶瓷。高熵陶瓷因其复杂的成分和无序微观结构，富含晶格畸变，有利于位错的形核与增殖，从而展现出相对于单相或复相陶瓷更高的位错密度。

总结

氧化铝陶瓷的强韧化研究已取得诸多进展，从相变增韧到高密度位错强韧化，每种方法都有其独特的优势和局限。未来相关研究方向可能集中在多重增韧机制的协同作用及新型复合材料等方面。总之，随着材料科学和制造技术的不断进步，氧化铝陶瓷的韧性瓶颈有望被逐步突破，从而在高性能结构材料领域展现更广阔的应用前景。

资料来源：

付欣欣.闪烧热处理致密氧化铝陶瓷的微观结构和力学性能[D].郑州航空工业管理学院,2024.DOI:10.27898/d.cnki.gzhgl.2024.000237.

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赵介南,张宁,周彬彬,等.Al2O3基陶瓷材料的增韧研究进展[J].硅酸盐通报,2016,35(09):2866-2871.DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2016.09.029.

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