Al2O3陶瓷材料的增韧.docx

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.ml/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。

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Al203/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 / Al203+Zr02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.m1/2Tomaszewski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A1203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A12O3基陶瓷中［9］,段韧性可达8〜8.5 Mpa.ml/2，但1000C以上，韧性切 有所下降李国星［10］在A12O3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A12O3瓷的断裂韧性 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A12O3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A12O3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A1203陶瓷而言，异向生长晶粒增韧A1203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A12O3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A12O3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A12O3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A12O3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A12O3，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1575。

C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A12O3在基体中的出现， 能使传统A12O3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A1203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，而吸收主裂纹的能量，达到增韧效果这就是应力诱导相变增韧 机制其中，亚稳四方、立方ZrO2的稳定主要靠掺入添加剂后形成的氧离子空位以 及阳离子的尺寸、电荷、浓度来得以保证Basu［17］发现加入Y2O3后形成的氧空 位浓度增加会使ZrO2- Y2O3系统的紊乱度增加。

此外四方ZrO2临界尺寸下降，四 方相向单斜相转变的自由能增加，这些都会提高四方ZrO2的稳定性，使之维持到 室温在ZrO2中掺Y2O3产生的缺陷反应为：Y2O3——ZrO2——>2Yzr'+300+V0..这样制备出的ZTA陶瓷，断裂韧性在7.66.7 Mpa.ml/2以上［18］,高者达到15 Mpa.m1/2［19］采用摩尔分数为20%YTZ和A12O3粉末混合制得的材料在1650 〜1700C有很好的超塑性［20］陈德永等［21］用体积分数为10%〜30%的ZrO2制 备ZTA陶瓷时发现，ZrO2用量在体积分数为20%时增韧效果最好在增韧机理中，除了 ZrO2的诱导相变机制外，相变产生体积膨胀，在裂纹区 域向不发生相变区挤压现象，使裂纹呈闭合趋势，扩展困难，也可以提高韧性此外，ZrO2颗粒弥散在基体中，还起第2相细化晶粒的作用于庆华等［22］ 把纳米技术引入 ZTA 增韧陶瓷的研制上，利用纳米粉末的巨大表面积来降低烧结温 度，抑制晶粒异常长大来提高韧性其中，晶内型是纳米粒子在晶粒内产生微裂 纹、次界面，削弱主晶界作用并降低尖端弹性模量，使裂纹扩展减缓而晶间型是 ZrO2 颗粒弥散在 Al2O3 晶界，产生钉扎，进而导致穿晶断裂，韧性得到提高。

所以，ZrO2在Al2O3瓷中的作用是以相变增韧为主的复合增韧按道理，有类似 ZrO2 马氏体相变的材料皆可作为增韧相，但目前其它相变增 韧相在陶瓷材料的研究中不多见而且在高温下，这些相变会反向，增韧作用失 效鉴于此 Zhou 等［23］研讨了相变 SiC 晶须和相变 SiC 颗粒对 Al2O3 瓷韧性的影 响，发现二者能相互影响，其协同效应能提高陶瓷韧性，克服了高温下 PSZ 增韧性 能差的缺点1.5 弥散增韧目前这方面应用的主要还是 Zener 增韧增强理论加入基体的微细粉，靠产 生钉扎作用来抑制晶界移动，细化晶粒来提高韧性添加的粉末种类较多，其中金属的塑性好，曾一度受到人们的关注材料在 受力时，金属的塑性变形能消耗一部分负荷的能量，以弥补陶瓷缺乏塑性的弱点 另一方面，金属与陶瓷的线胀系数相差较大，冷却时，金属的收缩大于陶瓷而在陶 瓷晶界表面产生压应力，晶界得到加强，造成穿晶断裂的可能性增加，韧性提高 如李国军［24］以Ni为弥散相，Ni颗粒位于三角晶界，随着含量的增加，断裂方式 由沿晶转为穿晶断裂在一定范围内，Ni含量增加，穿晶断裂的比例会上升，韧 性可提高 35%左右除了 Ni 以外，还有 Cu,Mo,Cr,W,Co 等多种［25］。

它们能使基体晶粒细化，产 生裂纹桥联机制而增加 Al2O3 瓷的韧性但金属的含量增加，材料的强度、硬度下 降研究发现，金属与陶瓷的润湿性对整个材料的韧性等性能有很大影响最初是 想集金属、陶瓷的优点于一身，但事与愿违只有Co,Ni等少数金属及合金对某些 碳化物的润湿性好，获得的金属陶瓷性能比较好，如WC+Co刀具材料，而其他材料 的效果却不很理想从物理化学角度来说，提高组分细度、分散度及表面缺陷，可增加表面能， 改善润湿性等性能而现在的研究热点———纳米粉末材料，具备表面能大、缺陷 多等特点，对润湿性的改善应该说有很好的效果这又为金属陶瓷燃起了新的希 望，所以近年来有很多人在从事这方面的工作［26〜28］非金属粉末有高的弹性模量和强度，加到基体材料中后，多半存在于晶界， 因此形成的复合材料的韧性、强度比添加金属粉末的要高，尤其是高温断裂韧性 其增韧机制与添加的金属相似，主要也是组织细化、裂纹偏转，使A1203瓷韧性可 提高一倍多近来有许多学者在研究用金属间化合物作弥散相该化合物性能介于金属与 陶瓷之间，硬度、熔点都比较高作为第2相仍可细化晶粒、与基体发生桥联、钝 化裂纹等作用，对提高高温断裂韧性有一定的作用。

但其塑性差，以其塑性来提高 陶瓷的韧性，效果不是很好Tuan［29］等研究了 NiAl,NiAl(Fe)颗粒对A12O3瓷的增韧效果，发现加 NiAl(Fe)的韧性比加NiAl要高50%这是因为在A12O3- NiAl(。