來源：中國粉體網(wǎng) 山川
標簽氧化鋁高純氧化鋁氧化鋁陶瓷增韌技術(shù)陶瓷脆性 [導(dǎo)讀] 氧化鋁陶瓷增韌。
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作為先進陶瓷材料家族中為古老的一個成員，Al2O3陶瓷具有其他陶瓷材料不可比擬的優(yōu)異性能，如低成本、高強高硬、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等，在國防工業(yè)、航空航天以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
然而，與眾多單體陶瓷材料類似，Al2O3陶瓷晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的特征決定了其無法具有類似于金屬材料的塑性變形能力，因此在斷裂過程中除了通過產(chǎn)生新的斷裂面來增加表面能之外，幾乎沒有其他消耗斷裂能的方式，這導(dǎo)致了Al2O3陶瓷的一個致命弱點——脆性。
Al2O3陶瓷的脆性本質(zhì)是難以改變的，但可以采取一些途徑予以改善。經(jīng)過多年發(fā)展，形成了以引入增韌相材料為主的提升Al2O3陶瓷韌性的方法。
顆粒增韌
顆粒增韌是提高陶瓷材料韌性的簡單方法。對Al2O3陶瓷而言，顆粒增韌相材料主要是高延性的金屬顆粒或高彈性模量的非金屬顆粒。
作為增韌相，金屬顆粒主要是通過顆粒拔出、塑性變形等增韌機制促使Al2O3基體裂紋偏轉(zhuǎn)。此外，金屬顆粒可以一定程度上抑制Al2O3晶粒生長，進而改善Al2O3陶瓷的燒結(jié)特性。常見的金屬顆粒主要有Al、Ni、Ti、Cu和Fe等。
然而，由于金屬顆粒的彈性模量一般低于Al2O3陶瓷，因此金屬顆粒增韌Al2O3復(fù)合材料具有相對偏低的硬度和強度。作為增韌相，高彈性模量的非金屬顆粒能夠提高Al2O3陶瓷的韌性，其增韌機制主要有顆粒拔出、釘扎和裂紋偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)等。常見的非金屬顆粒主要有SiC、Si3N4、TiC等。 來源：浙江蔚藍航盾精密陶瓷科技有限公司
相變增韌
純ZrO2在1000℃附近有固相轉(zhuǎn)變：正方相(t)→單斜相(m)，屬于馬氏體轉(zhuǎn)變，將產(chǎn)生約3%~5%的體積膨脹。當裂紋擴展進入含有t-ZrO2晶粒的區(qū)域時，在裂紋尖 端應(yīng)力場的作用下，在裂紋尖 端形成過程區(qū)，即過程區(qū)內(nèi)的t-ZrO2將發(fā)生t→m相變，因而除產(chǎn)生新的斷裂表面而吸收能量外，還因相變時的體積效應(yīng)(膨脹)而吸收能量。同時由于過程區(qū)內(nèi)t→m相變粒子的體積膨脹而對裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴展。具體體現(xiàn)在裂紋尖 端應(yīng)力強度因子降低，即應(yīng)力誘發(fā)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力，降低了裂紋尖 端應(yīng)力強度因子。相對而言，即是提高了材料的裂紋尖 端臨界應(yīng)力強度因子--斷裂韌性。 ZTA陶瓷，來源：法國Nanoe 將ZrO2的t→m相變韌化作用及由于t→m相變而派生出來的顯微裂紋韌化與殘余應(yīng)力韌化作用引入Al2O3基體(即ZTA陶瓷)，可使韌性得到顯著提高。
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。 碳納米管與石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來，一直是國際上眾多科學(xué)家關(guān)注和研究的前沿性課題，目前已有研究人員將其引入氧化鋁陶瓷中，發(fā)現(xiàn)其可以起到增韌氧化鋁陶瓷的作用。
復(fù)合增韌
隨著對Al2O3陶瓷增韌的研究深入，為充分利用不同增韌方法的優(yōu)點，彌補各自的不足，形成了多元協(xié)同增韌方法，即通過兩種及以上的一元增韌方法協(xié)同作用進一步提高增韌效果的方法。多元協(xié)同增韌方法已受到研究人員的廣泛關(guān)注，常見的多元協(xié)同增韌方法有：顆粒/晶須、顆粒/相變、相變/晶須、石墨烯(碳納米管)/顆粒(或相變、晶須)等。 例如，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。 納米技術(shù)增韌 1987年德國的Karch等人首 次報道了所研制的納米陶瓷具有高韌性與低溫超塑性行為，其研究結(jié)果第 一次向世界展示了納米陶瓷潛在的優(yōu)異性能，為解決長期困擾人們的陶瓷的脆性問題提供了一條新的思路。 在1990年，科學(xué)家Cahn指出：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑”。 一方面，納米陶瓷由于晶粒的細化，晶界數(shù)量會大大增加，同時納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響到材料的宏觀強度，結(jié)果可使材料的強度、韌性大大增加。另一方面，在陶瓷基體中引入納米分散相并進行復(fù)合，不僅可大幅度提高其強度和韌性，明顯改善其耐高溫性能，而且也能提高材料的硬度、彈性模量和抗高溫蠕變等性能。因此，氧化鋁陶瓷納米化及納米復(fù)合目前已成為改善其斷裂韌性的重要途徑之一。
自增韌
通過引入添加劑或晶種來誘導(dǎo)等軸狀A(yù)l2O3晶粒異向生長成為如板狀、棒狀、長柱狀形貌的晶粒來形成自增韌Al2O3陶瓷得到了廣泛的研究。其增韌機制是類似于晶須對材料的裂紋橋聯(lián)增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)和晶粒拔出效應(yīng)，其中橋聯(lián)增韌是主要增韌機制。
參考來源： [1]張月林等.氧化鋁陶瓷增韌的研究進展 [2]路學(xué)成等.氧化鋁陶瓷增韌技術(shù)及機理 [3]張敬強.氧化鋁陶瓷增韌的研究現(xiàn)狀 [4]黃勇等.氧化鋁陶瓷增韌研究進展 (中國粉體網(wǎng)/山川) 注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
