A1₂O₃是應用最為廣泛的陶瓷材料，具有機械強度高、硬度大、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點，是制造高強度、耐磨損、耐高溫等高性能要求陶瓷零部件的基礎材料。但其較低的力學性能和較差的抗熱震性限制了其應用領域。通過在A1₂O₃基體中引人納米SiC分散相再進復合，可大大改善基質材料的性能，不僅能夠提升Al₂O₃/SiC復合陶瓷常溫、高溫力學性能和抗熱震性，并且呈現極好的表面機械性能和超塑性。下面小編結合Al₂O₃/SiC復合陶瓷的制備及燒結方式進行簡要。

一、Al₂O₃/SiC復合陶瓷粉體制備方法

高性能Al₂O₃/SiC復合陶瓷的關鍵是制備出具有界面復合結構優良、顆粒分散均勻、無表面污染的陶瓷粉體原料。目前，Al₂O₃/SiC復合陶瓷粉體制備方法主要有溶膠-凝膠法、非均相沉淀法、高能機械球磨法、原位碳熱還原法。

1.  溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法可分為以無機鹽為前驅體的膠體工藝和以金屬醇鹽為前驅體的聚合工藝。該方法是分子級可控工藝，采用膠體工藝可制得高分散、高穩定的Al₂O₃與納米SiC水懸浮液，并結合超聲波分散和控制pH值，可進一步打開分子團聚，再經適當熱處理后，可得到粒徑小、分散性好、混合均勻的Al₂O₃/SiC納米復合粉體。

溶膠-凝膠法制備Al₂O₃/SiC納米陶瓷粉體SEM

例如：以分析純Al（NO₃）3·9H₂O，（CH₂）6N₄和粒徑為30nm的SiC粉末為原料，采用溶膠-凝膠方法制備出黑色的干凝膠，經煅燒后，能使大部分SiC納米顆粒均勻分布在Al₂O₃晶粒內，合成了晶內型的Al₂O₃/SiC納米陶瓷粉體。

2.非均相沉淀法

非均相沉淀法是利用各生成組元沉淀時的非均衡性，將分散的納米粒子外層包覆一層基質組分或前驅體，可使納米相在混合過程中不再團聚，再將此沉淀物煅燒形成納米陶瓷粉體。

上海硅酸鹽研究所高濂團隊以分析純AlCl₃·6H₂O和平均顆粒尺寸為70nm的SiC為原料，氨水為沉淀劑，用非均相沉淀法制備了5vol%SiC-Al₂O₃納米復合粉體，該粉體中的納米SiC顆粒能均勻分散在γ-Al2O3顆粒間。

非均相沉淀法制備Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷粉體TEM圖片

值得注意的是：該法制備出Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷粉體，其納米級SiC顆粒被均勻包裹在Al₂O₃晶粒內，少量SiC位于晶界上，且采用該法制備的粉體進行燒結，燒結體的斷裂方式由氧化鋁以沿晶斷裂為主轉變為以穿晶斷裂為主，顯微結構更精密，材料強度及力學性都有較大幅度提高。

3.高能機械球磨法

利用高能機械球磨法制備A1₂O₃/SiC納米復合粉體時，一般選用微米級的A1₂O₃或小尺寸條帶碎片和SiC為原料，以水或無水甲醇為球磨介質，用瑪瑙球、硬質合金球等制成的硬球，可在球磨介質中加入適當的分散劑，有利于形成均勻的A1₂O₃/SiC漿料和提高該漿料的穩定性，并對在球磨過程中A1₂O₃和SiC顆粒尺寸、成分和結構變化通過不同時間球磨的粉體的X射線的衍射、電鏡觀察等方法來進行監視，進而制得高分散的A1₂O₃/SiC納米復合粉體。

4.原位碳熱還原法

原位碳熱還原法是利用低成本的Al₂O₃/SiO₂為原料，先制得Al₂O₃/SiO₂干凝膠粉體，在1700℃進行碳熱還原處理Al₂O₃/SiO₂干凝膠粉體后，得到晶粒尺寸約為45nm的SiC和Al₂O₃納米微晶組成的Al₂O₃/SiC復合粉體。

原位碳熱還原法制備Al₂O₃/SiC復合粉體SEM/EDS

目前，原位碳熱還原法不但被作為生產先進高溫結構優良的復合陶瓷粉體的發展方向，而且可能成為一條低成本合成Al₂O₃/SiO₂納米復合粉體的新途徑。

二、Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷燒結技術

Al₂O₃/SiC納米陶瓷的燒結過程中，必須采取相應的措施來盡可能地控制其晶粒的團聚、粗化和長大。通過大量研究與實踐，在普通陶瓷傳統燒結方法的基礎上不斷地加以改進和完善，逐漸形成了Al₂O₃/SiC納米陶瓷的燒結技術。

1.無壓燒結技術

無壓燒結是指在大氣壓或真空狀態下對材料進行加熱的燒結技術。例如利用β-SiC和α-Al₂O₃復合陶瓷粉體為原料，通過無壓燒結制備得到的Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷，當采用粒徑為20nm的SiC粉體作為強化相，可以大幅度增韌Al₂O₃/SiC陶瓷，斷裂韌性從3.0MPa·m^1/2提高到6.67MPa·m^1/2，增加122.5%。

無壓燒結制備Al₂O₃/SiC復合陶瓷顯微結構SEM

2.熱壓燒結技術

熱壓燒結是指對材料粉末施加單向或多向的壓力的同時把粉末加熱到熔點以下，通過在外加壓力作用下，使物質發生遷移來達到樣品均勻化、致密化的一種燒結方法。與常壓燒結相比，熱壓燒結優點是：不僅可以降低燒結溫度，而且還可以抑制晶粒的生長，使所得的燒結體晶粒較細，同時具有較高的強度，而且燒結體中氣孔率也相對低。

利用熱壓燒結制備Al₂O₃/SiC復合陶瓷材料，顆粒狀的Al₂O₃和SiC晶須兩種結構相互穿插，各相結合致密，晶須取向隨機分布，基體為六方晶型的α-Al₂O₃。該陶瓷的維氏硬度2402HV，斷裂韌性達到7.89MPa·m^1/2。

熱壓燒結制備Al₂O₃/SiC復合陶瓷材料SEM

3.放電等離子燒結技術

放電等離子燒結是新近發展的一種材料制備技術，是利用脈沖能、放電脈搏沖壓力和焦耳熱產生瞬時高溫場來實現燒結過程。其主要特點是通過瞬時產生的放電等離子使燒結體內部各個顆粒均勻地自身發熱和使顆粒表面活化，具有非常高的熱效率，可以在相當短的時間內使燒結體達到致密化，可獲得組織均勻細小、致密度高、性能良好的納米陶瓷復合材料。

放電等離子燒結爐

上海硅酸鹽研究所高濂課題組采用非均相沉淀法制備的Al₂O₃/SiC納米復合粉體，采用放電等離子燒結法，先超快速燒結的升溫速率為6000℃/min，在燒結溫度不保溫，迅速在3min內冷卻至600℃以下，制備出晶內型的Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷，與熱壓燒結相比，可降低燒結溫度200℃以上，在1450℃超快速燒結得到的納米復相陶瓷的抗彎強度高達1000MPa，維氏硬度為19GPa，斷裂韌性也比單相Al₂O₃陶瓷有所提高。

放電等離子燒結法Al₂O₃/SiC復合陶瓷（左圖為顯微結構SEM；右圖為斷口形貌SEM）

4.微波燒結技術

微波燒結技術主要用于陶瓷材料的燒結，是一種采用微波能直接加熱進行燒結的方法。例如以分析純Al（NO3）₃9H₂O﹑NH₃H₂O和50nm的SiC粉體為原料，采用溶膠凝膠法制備干凝膠，經熱處理合成Al₂O₃/SiC納米復合粉體。利用微波燒結制備Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷，并與常規燒結比較，分析了兩種燒結方法對制備試樣的力學性能影響。與常規燒結相比，微波燒結可以提高Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷的強度和韌性，改善材料的顯微結構，促進致密化和晶粒生長。

Al₂O₃/SiC納米復合陶瓷不同燒結方式SEM照片（左圖為微波燒結；右圖為熱壓燒結）

三、Al₂O₃/SiC復合陶瓷應用

1.Al₂O₃/SiC復合陶瓷刀具

目前市場上，Al₂O₃基陶瓷刀具占據了陶瓷刀具總量的2/3，而Al₂O₃/SiC復合陶瓷刀具憑借其良好的切削性能，成為了國內外使用廣泛的一種氧化鋁基陶瓷刀具。在燒結方式上，Al₂O₃/SiC復合陶瓷刀具材料的燒結常用的主要有無壓燒結和熱壓燒結。利用無壓燒結制備Al₂O₃/SiC復合陶瓷刀具的優點是可連續作業、生產成本低。

Al₂O₃/SiC復合陶瓷刀具

2.Al₂O₃/SiC陶瓷復合分離膜

目前陶瓷膜支撐體及中間層的主要材質Al₂O₃、堇青石、莫來石等，其中Al₂O₃占據了市場的主體，但其在高溫下環境下表現不佳，無法滿足高溫強腐蝕性等極端條件下的分離需求。Al₂O₃/SiC陶瓷復合分離膜具有良好的抗熱震性能與截留性能，在苛刻性水處理、化工行業以及高溫煙氣處理等行業有廣闊的應用前景。

Al₂O₃/SiC陶瓷復合分離膜

3.Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層

Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層具有良好的耐腐蝕性、耐磨損性和電磁波吸收性能，其在航空航天、能源等領域具有廣泛應用。利用等離子噴涂制備Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層，在雷達波方面有著廣泛應用。

Al₂O₃/SiC高溫陶瓷涂層應用于雷達天線罩模擬件

4.Al₂O₃/SiC耐高溫材料

Al₂O₃/SiC-C耐高溫復合材料具有高溫力學強度好、抗熔渣侵蝕滲透性好、抗熱震性好、重燒變化小等優點，在高爐出鐵溝系統得到了廣泛應用，是實現高爐鐵水與熔渣分離的重要系統。

Al₂O₃/SiC-C耐高溫復合材料SEM

5.Al₂O₃/SiC陶瓷型芯

Al₂O₃/SiC復合陶瓷型芯具有更好的高溫化學穩定性、高溫抗蠕變性，使用溫度更高（最高溫度可達1850℃），且鋁基陶瓷型芯與型殼的熱膨脹幾乎相同，適合制造高級別的渦輪葉片。目前，Al₂O₃/SiC陶瓷型芯廣泛應用于高爾夫球頭、船舶用大推力發動機空心葉片、大型薄壁鋁合金鑄件、化工用葉輪等產品的精密鑄造。

參考文獻：

1.  王宏志，高濂，郭景坤，氧化鋁基納米復合陶瓷顯微結構的研究，硅酸鹽學報。

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昕玥

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