Al₂O₃基陶瓷材料以其優異的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、硬度高，且化學穩定性強等特點，具有廣闊的應用前景。然而其缺點是韌性低，容易發生脆斷，因此，提高氧化鋁陶瓷材料的韌性是其能夠在各個領域中進一步推廣應用的前提。

圖1  Al₂O₃基陶瓷材料

氧化鋁陶瓷常見的增韌方法主要有顆粒彌散增韌、相變增韌、晶須增韌、原位生長增韌、復合協同增韌等方式。

一、顆粒彌散增韌

顆粒彌散增韌主要是在Al₂O₃陶瓷基體中加入高彈性模量的非金屬或具有延性的金屬作為第二相粒子，高彈性模量顆粒在基體材料拉伸時阻止橫向截面的收縮。要達到和基體相同的橫向收縮，必須增加縱向拉應力，使材料強化。增加外界拉應力就使材料消耗更多的能量，因此具有增韌效果。顆粒彌散增韌Al₂O₃基陶瓷材料主要分為金屬顆粒增韌和非金屬顆粒增韌。

1、金屬顆粒增韌

Al₂O₃基陶瓷材料可以通過添加金屬顆粒相提高其力學性能，顆粒彌散相可以引入延性金屬相。目前，延性金屬相也被證明是一種很有前途的增韌方法，添加的金屬顆粒主要包括Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金屬顆粒增韌主要利用裂紋尖端未斷裂的顆粒在裂紋上下表面起橋聯作用，一方面阻止裂紋的張開而減小裂紋尖端的應力強度因子，另一方面因裂紋擴展而使顆粒發生塑性變形，消耗裂紋尖端的能量，達到增韌的目的。

圖2  金屬顆粒橋聯增韌示意圖

日本大阪大學的研究人員制備出了由氧化鋁（Al₂O₃）陶瓷和鈦（Ti）組成的復合材料，即Al₂O₃/Ti陶瓷基復合材料，具有優異的機械性能，還可以進行電火花加工。它們還將作為一種新型多功能復合材料用于工業產品和生物材料，這種復合材料表面有一層具有抗菌性能和光催化降解污染物能力的活性表層。

圖3  Al₂O₃/Ti陶瓷基復合材料

2、非金屬顆粒增韌

非金屬顆粒增韌是在Al₂O₃基陶瓷材料添加SiC、TiC、WC、TiB₂、ZrB₂等非金屬納米顆粒，達到增韌氧化鋁基陶瓷材料的目的。例如研究者在Al₂O₃基陶瓷中添加SiC顆粒（280nm左右），通過熱壓燒結法制備Al₂O₃基陶瓷復合材料，其硬度為23.4Gpa，斷裂韌性為4.8MPa·m^1/2，相較于純氧化鋁陶瓷（3MPa·m^1/2），斷裂韌性得到一定的提高。力學性能提高的原因主要是其斷裂形式從沿晶斷裂轉變為穿晶斷裂，使得抗裂紋擴展能力增強，斷裂韌性提高。

二、相變增韌

相變增韌是利用ZrO₂增韌特性，實現對氧化鋁陶瓷材料的增韌。其增韌機理是當含有亞穩四方相ZrO₂陶瓷受到外加應力作用時，其中的四方相ZrO₂顆粒會轉變成同素異構體單斜ZrO₂相，同時產生3%～5%的體積膨脹，吸收應變能并彌合裂紋，從而提高材料的斷裂韌性。同時，由于相變所引起的體積膨脹對裂紋產生壓應力，阻礙裂紋的擴展，表現在裂紋尖端應力強度因子降低，從而提高抗裂紋擴展能力。而且氧化鋯的馬氏體相變使Al₂O₃基體中產生顯微裂紋和殘余應力，能使氧化鋁陶瓷的韌性提高，韌化的作用主要來自于晶粒的細化、顯微裂紋及裂紋的偏轉。

圖4  裂紋尖端應力誘發相變韌化示意圖

值得注意是：ZrO₂顆粒增韌Al₂O₃基陶瓷的效果與材料的成分、燒結溫度、晶粒尺寸等因素密切相關。盡管相變增韌效果明顯，但是受溫度的影響很大，通過加入少量的穩定劑，能大大提高陶瓷的高溫適應能力，所以相變增韌的方法能獲得普遍的推廣及應用。

三、晶須、纖維、碳納米管增韌

1、晶須增韌

晶須增韌主要是通過晶須在陶瓷中對裂紋的橋接、釘扎或偏轉及晶須的拔出等作用來顯著提高Al₂O₃基陶瓷的韌性。晶須增韌機理主要有拔出橋接機制和裂紋偏轉機制。

（1）拔出橋接機制：晶須的拔出長度存在一個臨界值lp。當晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時，晶須從此端拔出；如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時，晶須會在拔出的過程中產生斷裂。另外，晶須與基體之間的界面結合強度直接影響復合材料的韌化機制和韌化效果。

（2）裂紋偏轉機制：當裂紋擴展至晶須附近時，由于晶須的彈性模量較高，使得裂紋不易穿過晶須而發生偏轉，大大提高裂紋的擴展距離，并吸收更多的能量，達到增韌的效果。目前，晶須本身具有很好的力學性能，使得晶須增韌陶瓷基復合材料得到迅速發展，并成為最有希望的高溫結構材料之一。常用的晶須有SiC、Al₂O₃、ZrO₂、Si₃N₄和莫來石以及碳纖維等。

圖5  晶須增韌機制示意圖

（左圖：拔出橋接機制；右圖：裂紋偏轉機制）

晶須增韌Al₂O₃基陶瓷是研究得比較早的一種陶瓷基復合材料，在Al₂O₃中引入微觀晶須可以提高斷裂韌性3～4倍，利用熱壓法制備含量為20%～30% SiC晶須增韌的Al₂O₃基陶瓷，其抗彎強度和斷裂韌性分別達到650MPa和8～8.5MPa·m^1/2。

2、纖維增韌

纖維與Al₂O₃基陶瓷材料達到增韌效果之間需滿足2個條件：

一是增強纖維的彈性系數必須高于氧化鋁陶瓷基體；

二是纖維與Al₂O₃基陶瓷材料之間必須是相容的。

常用的增強纖維有：碳纖維、SiC纖維等。，Al₂O₃基體和各種纖維之間的結合不是簡單的混合物，而是一種有機的復合體，是通過非常薄的界面有機結合在一起。

圖5  Al₂O₃基陶瓷基片

3、碳納米管增韌

碳納米管具有極高的強度、韌性和彈性模量。其模量可達1TMpa，與金剛石模量幾乎相同，將碳納米管作為Al₂O₃基陶瓷材料的增強體，可表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性。

碳納米管增韌Al₂O₃基陶瓷材料機理是：利用短纖維增韌的作用，碳納米管力學性能優異，在拔出和斷裂時，都要消耗更多的能量，有利于阻止陶瓷裂紋的擴展。此外，碳納米管對陶瓷晶粒的橋聯、釘扎等作用，能達到傳遞和均攤載荷的目的，使陶瓷裂紋擴展方式由沿晶斷裂轉化為穿晶斷裂，能顯著提高Al₂O₃陶瓷的韌性。碳納米管還能與陶瓷形成獨特網絡結構，使裂紋沿晶界發生偏轉，同樣有助于提高Al₂O₃陶瓷的斷裂韌性。

四、原位生長晶須增韌

原位生長晶須增韌是通過原位生長的方式來制備晶須，常用的制備方法是 碳熱還原法，即通過生長助劑的引導，使前驅體在基體內部按照特定取向生長排列，在基體中形成晶須。

該增韌方法優點是：獲得的晶須在基體中分布均勻，有效地提高了晶須在基體 中的含量，同時改善了晶須在基體中的均勻度，使陶瓷的力學性能達到各向同性的效果。

五、復合增韌

目前，通過采用多種增韌機制復合的方式提高Al₂O₃基陶瓷材料韌性受到廣泛的關注，主要方法有：多相顆粒復合增韌、晶須－顆粒復合增韌、晶須－相變復合增韌等。

參考文獻：

1、武璽旺，碳納米管強韌化氧化鋁陶瓷基復合材料研究，華中科技大學。

2、顧延慰、傅永慶、潘敏元，晶須增韌陶瓷基復合材料的增韌機理及其影響因素，宇航材料工藝。

3、劉炳強，原位生長晶須增韌氧化鋁陶瓷刀具及切削性能研究，山東大學。

4、儲愛民、王志謙、張德智等，Al₂O₃基陶瓷材料增韌的研究進展，材料導報。

作者：樂心