Al2O3陶瓷材料的增韧

Al2O3陶瓷材料的增韧

Al2O3陶瓷材料的增韧

摘要：随着科技的发展，现在好多领域都用到了陶瓷材料，因此陶瓷材料越来越受到人类的青睐，特别是氧化铝陶瓷材料。但因氧化铝陶瓷因脆性而限制了其广泛应用。本文对目前氧化铝瓷的增韧方法及主要机理进行了评述，主要有层状复合增韧、纳米复合增韧、纤维（晶须）增韧、自增韧等。其中复合增韧是主要手段。而且纳米技术和微观结构设计将是今后氧化铝提高韧性的发展方向。我相信在增强了器韧性之后，氧化铝陶瓷材料会的到更广泛的应用。

关键词：氧化铝；增韧；陶瓷材料

引言：氧化铝陶瓷材料的结构属于刚玉型，其本身具有离子键的特性，使得滑移系统远没有金属那么多，这导致其缺乏一定的韧性、塑性。所以表现出的断裂韧性较低，通常只有3~4Mpa.m1/2,而显示了脆性，这大大地限制了氧化铝瓷的广泛应用。为此，很多学者研究了如层状增韧、纤维复合增韧等许多方法来提高它的韧性，取得了一定的进展。而最近的研究表明从微观结构设计、纳米复合技术方面来提高韧性有其独特的优势。

正文：

1增韧方法

1.1 层状增韧

天然生物材料如竹、贝壳等组成简单，但综合性能很好，是因其

结构呈层状分布。人们从这些天然结构得到启示，采用仿生结构来改善陶瓷材料的脆性，提高其韧性。

Al2O3陶瓷材料的增韧

层状复合陶瓷材料是由多层材料组成。各层的弹性模量、线胀系

数不同，进而导致层间产生宏观应力，在表面产生压应力。受到外力作用时，能最大限度地吸收应变能，并且使裂纹沿界面产生反复偏转、拐折。以此达到提高表面性能和整体韧性的目的。成茵等[1]的Al2O3/Ni层状陶瓷，利用镍的线胀系数约为氧化铝的)倍,在Al2O3层产生应压力，裂纹偏转能力大，所以该材料有较好的韧性。Zimovcak研制的Al2O3 / Al2O3+ZrO2层状材料[2]，也是利用从烧结温度冷却时，因线胀系数的不同产生而残余压应力，促使界面裂纹偏转来提高韧性。

陈蓓等[3] 制备的层状ZTA复合陶瓷在相对密度为99%时，断裂

韧性达20Mpa.m1/2。

Tomaszewski在研究TZP/Al2O3层状陶瓷时发现，残余应力会引

起裂纹扩展阻力增加，并产生偏转而韧性得以提高[3]。

层状陶瓷是一新型材料，前景广阔，但其缺点主要是弱夹层会降

低材料强度，平行和垂直于夹层方向的性质差别较大，呈各向异性。所以有人提出了采用强夹层的思路[4],制备出了ZTA/ Al2O3强夹层，冲击韧性达10 Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，Al2O3陶瓷的

5.6倍。常旭等[5]通过计算机对层状复合陶瓷进行了模拟，发现如果软层材料的强度太高、太低都会降低整体韧性，而提高硬、软层层厚和弹性模量之比，硬层均匀性均可提高陶瓷韧性。这为层状增韧陶瓷提供了一定的研究思路和优化途径。

1.2 纤维复合增韧

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研究表明，连续纤维对陶瓷的增韧效率较其他增韧方法大，是迄

今为止陶瓷系列所能达到的最高韧性，可以达20Mpa.m1/2左右[6]。因而成为改善陶瓷材料脆性非常有效的途径。

该方法把强度、弹性模量较高的纤维分散在陶瓷基体中。复合材

料在外力作用下，一部分载荷由纤维承担，以此来减轻基体本身的负荷。而且，基体中的纤维在承受力大于其强度发生断裂时，纤维产生拔出机制。此外，这些纤维在基体中也存在裂纹桥联、偏转来阻止裂纹的扩展。这3种增韧机制共同作用使陶瓷材料的韧性提高很多。

目前，用于Al2O3陶瓷的纤维主要有C纤维、SiC纤维、硅酸铝

纤维等多种[7]。研究发现，提高纤维的长径比可提高增韧效果。在纤维的使用形式上，采用纤维,的三维编织物增韧效果较好。谢征芳

[8]用C纤维的编织物来增韧Al2O3材料，由于断口表面有大量的纤维拔出，呈典型的韧性断裂模式，所以断裂韧性较高。

与纤维类似，目前采用晶须增韧Al2O3瓷的也较多，效果也很好。因晶须是以单晶结构生长、直径极小（通常小于3 um）的短纤维。其

晶体缺陷少，原子排列高度有序，强度接近相邻原子间成键力的理论值。理论和实践证明，把它应用于陶瓷的增韧，对提高韧性有一定作用。如把SiC晶须（体积分数可达20%～30%）引入Al2O3基陶瓷中[9],段韧性可达8～8.5 Mpa.m1/2,但1000C以上，韧性切有所下降。

李国星[10]在Al2O3微粉中加入MgB2,于900C生长出竹节状仿

生MgO晶须，对韧性的提高起到了很好的作用。

Pettersson[11] 用体积分数为30%的Ti(C,N) 晶须，使Al2O3瓷的

。。

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断裂韧性提高到5.0 Mpa.m1/2以上。

晶须增韧的机制除了拔出、裂纹偏转、裂纹桥联、钉扎等机制外，自身强度高也是一个原因。因此在理论上，提高晶须强度、降低其弹性模量，提高长径比能提高增韧效果。

近年来，纳米管因其自身的优异性能而倍受人们的关注。其弹性

模量、强度等性能优越。把诸如纳米C管之类的管状、棒状等纳米材料用于Al2O3陶瓷的增韧，可能会有意想不到的效果。现在这方面的报道还不多。

纤维、晶须增韧Al2O3瓷的缺点就是混合均匀性很难保证。

1.3 自增韧

所谓自增韧，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陶瓷而言，异向生长晶粒增韧Al2O3成为克服氧化铝

瓷脆性的研究热点[12～13]。其主要机理是通过工艺措施，控制Al2O3晶粒的生长方向，使其沿某些晶面优势生长成棒状、长柱状，起到类似晶须的增韧作用。在受到外来载荷时，裂纹尾部产生桥联方式；而且这些异向生长的Al2O3也会产生拔出、裂纹偏转等增韧机制，而使整个氧化铝陶瓷的韧性得到提高。

仝建峰等[14]研究的Al2O3-SiO2-CaF2系统在1570C下，利用

氟化物的助熔作用促使Al2O3晶粒生长出长径比达10的柱状晶，并且呈网状分布。在断裂时不但起到纤维增韧作用，而且还有拔出增韧。

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机制引起的穿晶断裂。这比一般多晶陶瓷的沿晶断裂耗能多，使其断裂韧性在5.25 Mpa.m1/2以上。此外，他还发现CaF2柱柱状晶的形成，而加CaO的系统中Al2O3基本呈椭球状或球状，断裂韧性较低。

刘彤等[15]在1600C下制备出长径比在5以上的柱状Al2O3，试

表明，也导致了穿晶断裂，断裂韧性在6.7 Mpa.m1/2左右。

Liu等[16]在1575C下反应烧结原位合成的SrAlO19棒晶，断裂

韧性达10.2 Mpa.m1/2。

这些都在一定程度上说明了棒状、长柱状甚至针状Al2O3在基体

中的出现，能使传统Al2O3瓷的断裂方式有所改变，而呈耗能较多的穿晶断裂。因而断裂韧性可提高60%以上。

所以，在Al2O3基陶瓷中如何才能生长出性能较好，呈三维网状

分布的棒状、长柱状甚至针状Al2O3晶粒或相容性好的其他棒晶，提高自增韧性能还需要进一步研究。

1.4 相变增韧

这是研究比较早而且普遍的一种增韧方。它是人为地在材料中造

成大量的极细裂纹，以吸收能量、阻止裂纹扩展。其中主要集中在ZrO2的的马氏体相变研究上，比较成功的有ZTA,ZTM等陶瓷材料。ZrO2弥散在Al2O3基体中，由于二者的线胀系数不同，冷却时，ZrO2颗粒受到压应力，相变受阻。而后，在材料受到外力作用时，ZrO2颗粒上的压力得到松弛，四方相转变为单斜相，体积膨胀后在基体中产生微裂纹 …… 此处隐藏：3189字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……