在超(chao)過2000℃熔點的氧化物中(zhong)，氧化(hua)鋁陶(tao)瓷是最靈(ling)活和廉價(jia)的材(cai)料。氧(yang)化鋁陶瓷(ci)是一(yi)種以氧化(hua)鋁（氧(yang)化鋁）爲(wei)主(zhu)體的(de)陶瓷材料。氧化(hua)鋁陶瓷(ci)機械強度高(gao)、硬度大、高(gao)頻介電損耗小(xiao)，又因(yin)爲它的原(yuan)料來源廣(guang)、價格(ge)相對(dui)便宜、加工(gong)技術較爲(wei)成熟(shu)，因此(ci)，它(ta)被廣泛(fan)地應用(yong)于(yu)電子(zi)、電器(qi)、機(ji)械、紡織(zhi)和航空航(hang)天等領域(yu)。這也(ye)奠定(ding)了它(ta)在陶(tao)瓷材(cai)料領(ling)域(yu)的地位(wei)。據悉，氧化(hua)鋁陶(tao)瓷是(shi)目前世界(jie)上用量最(zui)大的(de)氧化(hua)物陶瓷材(cai)料。

氧化鋁(lü)陶瓷材料(liao)的結構屬(shu)于剛玉型(xing)，其本身具(ju)有離(li)子鍵(jian)的特性，使(shi)得滑(hua)移系統(tong)遠(yuan)沒有(you)金屬那麽(me)多，這(zhe)導緻其(qi)缺(que)乏一(yi)定的韌性、塑性(xing)。所以(yi)表現(xian)出的(de)斷裂韌性(xing)較低(di)，這大(da)大地(di)限制(zhi)了氧化鋁(lü)陶瓷(ci)的廣(guang)泛應用。那(na)麽氧化鋁(lü)陶瓷的主要增(zeng)韌方(fang)法有(you)哪些(xie)？

一、層(ceng)狀結構增韌

天(tian)然材料(liao)如竹子(zi)、貝殼等(deng)，綜合性(xing)能很(hen)好(hao)，是(shi)因其(qi)結構(gou)呈層(ceng)狀分(fen)布。人們(men)從這些天然(ran)結構(gou)得到(dao)啓示，采(cai)用仿生(sheng)結構(gou)來(lai)改(gai)善陶(tao)瓷材料的(de)脆性(xing)，提高(gao)其韌性。層(ceng)狀複(fu)合陶瓷材(cai)料是由(you)多(duo)層材(cai)料組成。各(ge)層的(de)彈性(xing)模量、線脹(zhang)系數不(bu)同，進而導緻(zhi)層間産生(sheng)宏觀應力(li)，在表(biao)面産生(sheng)壓應力(li)。受到外力(li)作用時，能(neng)最大限度(du)地吸(xi)收應變能(neng)，并且使(shi)裂(lie)紋沿(yan)界面産(chan)生(sheng)反複偏轉(zhuan)、拐折。以此(ci)達到(dao)提高表面性能(neng)和整體韌(ren)性的(de)目的(de)。

例如：氧化鋁/Ni層(ceng)狀陶(tao)瓷，利用(yong)鎳(nie)的線(xian)脹系(xi)數約爲氧(yang)化鋁的)倍(bei)，在氧(yang)化鋁(lü)層(ceng)産(chan)生應(ying)壓力，裂紋(wen)偏轉(zhuan)能力(li)大(da)，所以該(gai)材料(liao)有較好的韌性。層狀陶瓷(ci)是一(yi)新型材料(liao)，前景(jing)廣闊(kuo)，但其(qi)缺點(dian)主要是弱夾層(ceng)會降(jiang)低材(cai)料強度，平行和垂直于(yu)夾層方(fang)向的性質差别(bie)較大(da)，呈各向異(yi)性。所以業(ye)内專家提出(chu)了采用(yong)強夾(jia)層的(de)思路，制備出了ZTA/ 氧化(hua)鋁強夾(jia)層，沖擊韌性(xing)達10 Mpa.m1/2以上，是(shi)ZTA材料的2.8倍，氧化(hua)鋁陶(tao)瓷的5.6倍。一(yi)些科(ke)學家通過計算(suan)機對層狀(zhuang)複合陶(tao)瓷(ci)進行(hang)了模拟，發現如(ru)果軟層材(cai)料的強度太(tai)高、太低(di)都會(hui)降(jiang)低(di)整體(ti)韌性(xing)，而提高硬(ying)、軟層(ceng)層厚(hou)和彈(dan)性模量之比，硬(ying)層均勻性(xing)均可(ke)提高(gao)陶(tao)瓷韌性(xing)。這爲層狀增韌(ren)陶瓷提供了一(yi)定的研究(jiu)思路(lu)和優(you)化途徑。

二(er)、纖維(wei)複合(he)增韌(ren)

研究表明(ming)，連續(xu)纖維對陶(tao)瓷的(de)增韌(ren)效率較其(qi)他增韌方(fang)法大，是迄(qi)今爲(wei)止陶(tao)瓷系(xi)列(lie)所(suo)能達到的最(zui)高韌性(xing)，可以達20Mpa.m1/2左(zuo)右，因此是(shi)改善陶瓷(ci)材料脆(cui)性(xing)非常有效(xiao)的(de)途徑。該(gai)方法(fa)把強(qiang)度、彈(dan)性模(mo)量較(jiao)高的(de)纖維(wei)分散在陶(tao)瓷基(ji)體(ti)中。複合(he)材料在(zai)外力作(zuo)用下(xia)，一(yi)部分載(zai)荷由(you)纖維(wei)承擔(dan)，以此(ci)來減(jian)輕基(ji)體本身的負荷(he)。而且(qie)，基(ji)體(ti)中的(de)纖維在承(cheng)受力(li)大于(yu)其強度發(fa)生斷裂(lie)時(shi)，纖維(wei)産生拔出(chu)機制(zhi)。此外，這(zhe)些(xie)纖維(wei)在基(ji)體(ti)中也存(cun)在裂紋橋(qiao)聯、偏(pian)轉來(lai)阻止(zhi)裂紋(wen)的擴展(zhan)。這(zhe)3種增(zeng)韌機(ji)制(zhi)共(gong)同作(zuo)用使陶瓷(ci)材料(liao)的韌性提(ti)高很(hen)多。

目(mu)前，用(yong)于氧(yang)化鋁陶瓷的纖(xian)維主要由(you)碳纖維、碳(tan)化矽纖維(wei)、矽酸鋁纖(xian)維等(deng)多種(zhong)。研究發現(xian)，提高(gao)纖維(wei)的長(zhang)徑比(bi)可(ke)提(ti)高增(zeng)韌效果。在(zai)纖維的使(shi)用形式上(shang)，采用纖維(wei)，的三(san)維編(bian)織物(wu)增韌(ren)效果(guo)較(jiao)好(hao)。與纖(xian)維類(lei)似(si)，目前采(cai)用晶(jing)須(xu)增(zeng)韌氧化鋁(lü)瓷的也較(jiao)多，效果也很好(hao)。因晶(jing)須是(shi)以單(dan)晶結構生(sheng)長、直(zhi)徑極(ji)小（通(tong)常小(xiao)于3 um）的短(duan)纖(xian)維。其晶體(ti)缺(que)陷少，原(yuan)子排列高度有(you)序，強(qiang)度接近相(xiang)鄰原子(zi)間(jian)成鍵(jian)力的理論值。理(li)論和(he)實踐證明(ming)，把它(ta)應用于陶(tao)瓷的(de)增韌(ren)，對提(ti)高韌性(xing)有一定(ding)作用。如把(ba)碳化(hua)矽晶(jing)須(xu)（體積分(fen)數可達20%——30%）引(yin)入氧化鋁基陶瓷中(zhong)，段韌性可(ke)達8——8.5 Mpa.m1/2。

晶(jing)須增韌的機制(zhi)除了拔出(chu)、裂紋(wen)偏轉(zhuan)、裂紋(wen)橋聯(lian)、釘紮(zha)等(deng)機(ji)制外(wai)，自身強度高也(ye)是一個原(yuan)因。因此在(zai)理論(lun)上，提(ti)高晶須強(qiang)度、降(jiang)低其(qi)彈性模量(liang)，提高(gao)長徑(jing)比能(neng)提高增韌效果(guo)。纖維、晶須增韌(ren)氧化(hua)鋁(lü)瓷的缺(que)點就是(shi)混合均勻性(xing)很難(nan)保證(zheng)。

三、自增韌

所謂(wei)自增(zeng)韌，就是在(zai)一定的(de)工(gong)藝條(tiao)件下，生長(zhang)出增(zeng)韌、增強(qiang)相(xiang)。它在(zai)一定(ding)程度上消(xiao)除了基(ji)體(ti)相與(yu)增韌(ren)相(xiang)在(zai)物理(li)或化(hua)學上(shang)的不相容性(xing)，而保證(zheng)了基體相(xiang)與增(zeng)韌相的(de)熱(re)力學(xue)穩定(ding)性。對(dui)于氧(yang)化鋁(lü)陶(tao)瓷而言(yan)，異向生長晶粒(li)增韌氧(yang)化鋁成(cheng)爲克服(fu)氧(yang)化鋁陶瓷(ci)脆性的研(yan)究熱點(dian)。其(qi)主要機理(li)是(shi)通過工(gong)藝措(cuo)施(shi)，控(kong)制氧化鋁晶粒(li)的生(sheng)長方向(xiang)，使(shi)其沿(yan)某些(xie)晶(jing)面優勢(shi)生長(zhang)成棒(bang)狀、長(zhang)柱狀(zhuang)，起到類似(si)晶須(xu)的增(zeng)韌作(zuo)用。在(zai)受到(dao)外來(lai)載荷時(shi)，裂紋尾部産(chan)生橋聯方(fang)式；而(er)且這(zhe)些異向生長的(de)氧化(hua)鋁也(ye)會産生拔出、裂(lie)紋偏轉等(deng)增韌機(ji)制，而使(shi)整個(ge)氧(yang)化(hua)鋁陶(tao)瓷的(de)韌性(xing)得到(dao)提高(gao)。

四、相變增(zeng)韌

這是(shi)研(yan)究比較早(zao)而(er)且普遍(bian)的一種增(zeng)韌方。它是(shi)人爲地在(zai)材料中(zhong)造(zao)成大(da)量的(de)極細(xi)裂紋(wen)，以吸(xi)收能(neng)量、阻止裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展。其(qi)中主(zhu)要(yao)集(ji)中在(zai)ZrO2的的(de)馬氏(shi)體相(xiang)變研(yan)究上(shang)，比較(jiao)成功(gong)的(de)有ZTA,ZTM等陶(tao)瓷材(cai)料。ZrO2彌(mi)散在(zai)氧化(hua)鋁基體中(zhong)，由于(yu)二(er)者(zhe)的線(xian)脹系數不同，冷(leng)卻時(shi)，ZrO2顆粒受到(dao)壓應力，相變受(shou)阻。而後，在材料受到(dao)外力(li)作用(yong)時，ZrO2顆(ke)粒上的壓(ya)力得到松弛，四(si)方相轉(zhuan)變(bian)爲單(dan)斜相，體(ti)積(ji)膨脹(zhang)後在(zai)基(ji)體(ti)中産(chan)生微(wei)裂紋(wen)，而吸(xi)收主裂紋的能(neng)量，達到增韌效(xiao)果。這就是應力(li)誘導相變增韌(ren)機制(zhi)。

在增(zeng)韌機(ji)理中，除了ZrO2的誘(you)導相變機(ji)制外(wai)，相變(bian)産(chan)生(sheng)體積(ji)膨脹，在裂(lie)紋區(qu)域向(xiang)不(bu)發(fa)生相(xiang)變區擠壓(ya)現象(xiang)，使裂(lie)紋呈(cheng)閉合(he)趨勢(shi)，擴展(zhan)困難(nan)，也可以提高韌(ren)性。部(bu)分研究人員用(yong)體(ti)積分數(shu)爲10%——30%的(de)ZrO2制備(bei)ZTA陶瓷時發(fa)現，ZrO2用量在(zai)體積(ji)分(fen)數爲20%時(shi)增韌(ren)效果最好(hao)。

陶瓷增(zeng)韌(ren)技術(shu)在未(wei)來(lai)的很長(zhang)一段時(shi)間(jian)都将(jiang)是材(cai)料界的熱(re)點技(ji)術(shu)。陶(tao)瓷材(cai)料固(gu)有(you)的高強(qiang)度、耐高溫、低膨脹系(xi)數(shu)等特性(xing)如果能夠再結(jie)合高(gao)韌(ren)性，那将(jiang)是材(cai)料(liao)界(jie)夢寐以求的(de)高性能(neng)材料，運(yun)用(yong)領域(yu)極爲廣泛。下面(mian)簡單介紹(shao)一下(xia)氧化(hua)鋁陶瓷的(de)一些應用(yong)吧。

（一(yi)）機械(xie)方(fang)面

氧化(hua)鋁陶(tao)瓷燒結産(chan)品的抗彎強度(du)可達250MPa，熱壓産品(pin)可達500MPa。氧(yang)化鋁陶(tao)瓷的莫氏(shi)硬度(du)可達到9，加上具(ju)有優(you)良的(de)抗磨(mo)損性(xing)能(neng)等，所以(yi)廣泛地(di)用于制造刀具、球閥、磨(mo)輪、陶瓷釘(ding)、軸承(cheng)等，其(qi)中以氧化(hua)鋁陶瓷刀具和(he)工業用(yong)閥(fa)應用(yong)最廣。

氧(yang)化(hua)鋁陶(tao)瓷刀(dao)具(ju)

氧化鋁(lü)陶瓷(ci)刀(dao)具(ju)的最(zui)佳切削速度比(bi)一般的(de)硬質合金刀(dao)具高(gao)，可大(da)幅提(ti)高對(dui)不同(tong)材料(liao)的切削效(xiao)率。随着(zhe)科(ke)學工(gong)作者的大(da)量研(yan)究，添(tian)加(jia)其它成(cheng)分構(gou)成兩(liang)相或(huo)以固溶(rong)體(ti)形式(shi)存在(zai)于基(ji)體之(zhi)中的氧(yang)化(hua)鋁基(ji)複合(he)陶(tao)瓷(ci)和晶(jing)須增強(qiang)陶瓷中(zhong)。這些技術(shu)彌補(bu)了純(chun)氧化(hua)鋁陶瓷的(de)不(bu)足，從而(er)提高了它的切削性能(neng)和(he)耐用(yong)度。

（二）電子/電力(li)方面

在電(dian)子、電(dian)力方面，有各種氧化鋁陶瓷底(di)闆、基片(pian)、陶(tao)瓷膜(mo)、透明(ming)陶瓷(ci)以及(ji)各種氧化(hua)鋁陶(tao)瓷電絕緣(yuan)瓷件(jian)、電子材(cai)料(liao)、磁性材料(liao)等(deng)，其中以(yi)氧化(hua)鋁(lü)透明陶(tao)瓷和基片(pian)應用(yong)最廣。

氧化(hua)鋁透(tou)明陶瓷(ci)

當前透(tou)明陶瓷是(shi)材料(liao)領域(yu)研究和應(ying)用的重要(yao)前沿(yan)方向(xiang)。透明陶瓷(ci)作爲一種新型(xing)材料(liao)，除了本身(shen)具有(you)寬(kuan)範圍的(de)透光(guang)性外(wai)，還具(ju)有高熱(re)導率、低(di)電導率、高(gao)硬度(du)、高強度、低介電(dian)常數(shu)和介電損(sun)耗、耐(nai)磨性(xing)和耐(nai)腐蝕(shi)性好(hao)等一(yi)系列優(you)點(dian)。

氧化(hua)鋁陶瓷基(ji)片

氧(yang)化鋁陶瓷基片(pian)具有機(ji)械強度(du)高、絕(jue)緣性好、避(bi)光性高等(deng)優良(liang)性能(neng)，廣(guang)泛(fan)用于(yu)多層(ceng)布線(xian)陶瓷(ci)基片、電子(zi)封裝及高(gao)密(mi)度(du)封裝(zhuang)基片。

（三）化(hua)工方面

在(zai)化工應用(yong)方面(mian)，氧(yang)化鋁陶(tao)瓷也(ye)有較廣泛(fan)的用途(tu)，如氧化鋁陶瓷(ci)化工填(tian)料球、無(wu)機微濾膜、耐(nai)腐(fu)蝕(shi)塗層(ceng)等，其中以(yi)氧化(hua)鋁陶瓷(ci)膜和塗(tu)層的(de)研(yan)究(jiu)和應(ying)用最(zui)多。

（四(si)）醫學(xue)方面

在醫(yi)學方(fang)面，氧(yang)化鋁更多(duo)的是(shi)用(yong)于(yu)制造(zao)人工骨、人工關(guan)節、人(ren)工牙(ya)齒等(deng)。氧化(hua)鋁陶(tao)瓷具(ju)有優(you)良的生物(wu)相容(rong)性、生(sheng)物惰(duo)性、理化(hua)穩(wen)定性(xing)及高(gao)硬(ying)度、高耐(nai)磨性，是(shi)制備人(ren)造骨和人(ren)造關(guan)節的(de)理想(xiang)材料。但它具有和其(qi)他陶(tao)瓷材料一(yi)樣的(de)缺點(dian)如脆(cui)性大(da)、斷(duan)裂(lie)韌性低、機(ji)加(jia)工(gong)技術(shu)難度(du)高、工(gong)藝複雜等，因此需要(yao)進一(yi)步(bu)研(yan)究應(ying)用。

（五(wu)）建(jian)築/衛生(sheng)/陶瓷方(fang)面(mian)

在建築衛(wei)生陶瓷方(fang)面，産品(pin)随處可(ke)見，如(ru)氧化(hua)鋁陶(tao)瓷襯(chen)磚、研(yan)磨介(jie)質、輥(gun)棒、陶瓷保(bao)護管以(yi)及(ji)氧化(hua)鋁質(zhi)耐火材料(liao)等。其(qi)中(zhong)以氧化(hua)鋁球(qiu)磨(mo)介(jie)質應(ying)用最廣(guang)。

材(cai)料科學的(de)魅力(li)就在(zai)于取長補短，造(zao)就理(li)想材(cai)料。氧(yang)化鋁(lü)陶瓷(ci)除了以上(shang)應用外，還(hai)廣泛應用于其(qi)它一些高(gao)科技(ji)領域，如航(hang)空航天、高溫(wen)工業爐(lu)、複合增強(qiang)等領域。在增(zeng)韌技術(shu)的不(bu)斷發(fa)展中(zhong)，氧化(hua)鋁陶(tao)瓷材(cai)料必(bi)将具(ju)備更(geng)加優(you)良的性能(neng)，應用(yong)領(ling)域(yu)将更加廣(guang)泛。