氧化物高溫陶瓷一般為具有高熔點、高溫力學性能穩定的金屬氧化物，此外相對于其他陶瓷，抗氧化性能優異是氧化物最重要的特點，比如說目前用量最大的氧化鋁陶瓷就是典型代表。

氧化鋁陶瓷

但是氧化鋁陶瓷在高溫條件下抗蠕變性差，容易發生蠕變破壞導致構件失效。為了彌補這個致命缺陷，可使用晶須增韌、顆粒增韌、相變增韌、纖維增韌等手段進行增強。尤其是使用氧化物纖維增強時，由于抗氧化性能更出眾，除了能勝任極端惡劣環境外，還不會因為氧化失效而造成復合材料的性能下降，是在軍事及航空航天等領域中應用的最有潛力的候選材料之一。

氧化鋁增韌可簡單分為非連續相增強以及連續相增強兩種模式，其增韌機制及方法如下：

一、非連續相增強氧化鋁復合材料

增韌機制：

相變增韌、裂紋偏轉、顆粒與氧化鋁基體之間的彈性模量失配等是顆粒增強氧化鋁基復合材料的主要增韌機制。顆粒增韌主要是將ZrO₂顆粒加入到氧化鋁陶瓷基體中，單斜相的ZrO₂顆粒在升溫過程中發生晶相改變而引起體積的變化，從而使復合材料內部產生極其細微的裂紋，這些微裂紋起到偏轉應力方向、分散應力載荷的作用，增韌效果明顯。

制備方法：

目前采用晶須增韌及顆粒增韌制備氧化鋁基復合材料常用的方式方法為固相反應，通常將增韌體晶須或顆粒與氧化鋁粉體混合均勻，壓制成型后進行高溫燒結，最終制備成顆粒/晶須增強氧化鋁復合材料。而短切纖維增強氧化鋁復合材料的制備方法與顆粒、晶須增韌大致相同。

根據添加顆粒的屬性可以分為剛性顆粒強化和延性顆粒強化：

①剛性顆粒多為非金屬陶瓷顆粒（非金屬粉末），主要有SiC、TiC、WC、TiB₂、ZrB₂等。因為非金屬粉末具有高彈性模量，作為增韌相添加到氧化鋁陶瓷基體中，形成的復合陶瓷材料的韌性強度要比單相氧化鋁陶瓷高很多，特別是高溫斷裂韌性。

SiC粉體

②延性顆粒強化氧化鋁基陶瓷主要是以金屬顆粒作為增韌相添加到陶瓷材料的基體中。常見的金屬顆粒有：Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金屬顆粒作為增韌相不僅可以細化陶瓷基體的晶粒還能通過多種增韌機制阻礙裂紋的擴展速度。

總結：

因工藝簡單高效且研究較早，非連續相增強氧化鋁復合材料已發展得相對成熟，但增韌效果相對連續纖維來說提升有限，主要原因是在非連續相與氧化鋁基體混合時很難做到分散均勻，從而產生應力集中、不均的現象，影響了增韌效果。

二、連續纖維/氧化鋁復合材料

增韌機制：

下圖所示的為連續纖維增強氧化鋁復合材料的增韌原理示意圖。由圖可以看到，在氧化鋁復合材料斷裂時會同時發生多種現象，例如纖維橋連、纖維拔出、界面脫粘、裂紋偏轉等，其中纖維拔出、纖維橋連、界面脫粘這些現象均會消耗斷裂過程中產生的力學載荷并使裂紋偏轉，從而避免材料因發生脆性斷裂而造成災難性的破壞。

連續纖維/氧化鋁復合材料的增韌機理

制備工藝：

常見的制備工藝包括化學氣相滲透/沉積工藝、先驅體浸漬裂解工藝、漿料浸漬熱壓工藝以及溶膠-凝膠工藝等。

（1）化學氣相滲透/沉積(CVI/D)

CVI/CVD是一種復合陶瓷的制備工藝，原理是通過將活性氣體在高溫下經過氣相熱解反應產生的基質材料滲透到陶瓷纖維預制件中，沉積溫度一般為1000~1500℃。所制備的陶瓷基復合材料由于纖維預制體周圍的基體材料是緩慢穩定形成的，這樣可以最大限度的降低對纖維的化學及機械損傷，因此復合材料通常具有優良的力學強度及抗燒蝕性能。

化學氣相沉積/滲透的基本原理

該工藝主要有以下缺陷：一是較長的制備周期提高了生產成本，且在制備過程中容易形成閉合氣孔，影響復合材料的致密性；二是CVI/CVD工藝沉積粗厚型預制體的效果較差，容易出現基體不均勻的現象。

（2）先驅體浸漬裂解工藝(PIP)

PIP法是一種將陶瓷纖維預制體浸漬在有機聚合物先驅體中，經固化成型、高溫裂解處理后，使有機聚合物前驅體轉化為目標陶瓷基體的一種制備工藝。此工藝需要對纖維預制體重復進行數個“浸漬-固化-高溫裂解”周期，才可以使纖維增強陶瓷基復合材料達到相對致密的程度，具體流程如下圖。

這種制備工藝的優點是可以近凈尺寸成型，且較好的保護纖維免受機械損傷，無需燒結助劑即可完成。而缺點則是多次重復的“浸漬-固化-高溫裂解”過程會增加復合材料制備的時間成本及人工成本，且在制備后期先驅體會難以進入預制件內部，使其產生密度梯度，影響復合材料的整體性能。

（3）漿料浸漬熱壓工藝(RI-HP)

RI-HP法是將纖維預制件與可燒結的基體粉末制成坯體，隨后高溫加壓燒結使其緊密結合而形成復合材料的一種制備工藝。得益于熱壓工藝，使得采用該方法制備的復合材料的致密度得到很大提升，然而在面對大尺寸及復雜形狀的坯體時具有一定的局限性，同時熱壓工藝帶來的問題就是不可避免地會對纖維預制體骨架造成損傷或變形，顆粒的聚集也會阻塞預制體外部氣孔，造成后續致密化的困難。

（4）溶膠-凝膠工藝(Sol-Gel)

溶膠-凝膠法是目前制備連續纖維增強陶瓷基復合材料的一類極為重要的制備方法。具體的工藝流程是：將纖維增強體置于制備好的陶瓷前驅體溶膠中完成浸漬過程，隨后經過凝膠過程、干燥過程、高溫熱處理過程，最終制備出纖維增強陶瓷基復合材料。因為往往前驅體溶膠中的固含量有限，一次制備過程不能使得復合材料完全致密化，因此通常視溶膠固含量高低的情況需要多次上述的循環制備過程。

溶膠-凝膠法的優點是可以實現復合材料的近凈尺寸成型，成本低廉，操作簡單，制備過程中的熱處理溫度較低，減輕了重復高溫對纖維帶來的熱損傷；缺點則是受限于溶膠的固含量，復合材料的致密化過程往往需要多達十幾次的工藝循環，大大提高了復合材料制備的時間成本及人工成本，同時溶膠的粘度也對復合材料的制備過程表現出較大影響，高粘度的溶膠不僅難以進入纖維預制體內部，而且往往會形成密度梯度，影響復合材料的致密化程度。

總結

連續纖維/氧化鋁復合材料的制備通常要考慮到三方面因素：纖維、基體以及界面。這其中包括纖維損傷、基體-纖維的結合強度、界面相容性等問題，而往往復合材料的制備工藝對其力學性能及微觀結構有著顯著的影響。目前世界各國的研究人員已經不單單滿足于一種制備工藝，而是通常將兩種或兩種以上的制備工藝結合起來，以期望復合材料的綜合性能可以表現的更為優異。

資料來源：

耿廣仁. 氧化鋁基纖維/氧化鋁復合材料的制備及其性能研究[D]. 山東:濟南大學,2020.

趙介南,張寧,周彬彬,等. Al2O3基陶瓷材料的增韌研究進展[J]. 硅酸鹽通報,2016,35(9):2866-2871.

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