針對氧化鋁陶瓷材料的高脆低韌的特點，國內(nèi)外研究工作者做了大量研究，根據(jù)陶瓷材料的裂紋擴展行為及斷裂機理，可知克服陶瓷脆性的關(guān)鍵是有效減少裂紋源和合理控制裂紋擴展速度；提高陶瓷材料自身抵抗裂紋擴展能力和盡量避免應(yīng)力在裂紋尖端集中。目前關(guān)于氧化鋁陶瓷材料的增韌方式主要包括以下5點：
1、Al2O3 基陶瓷顆粒彌散增韌
納米顆粒彌散增韌是提高陶瓷材料強度和韌性最簡單的增韌方式，根據(jù)添加顆粒的屬性可以分為剛性顆粒強化和延性顆粒強化。剛性顆粒多為非金屬陶瓷顆粒(非金屬粉末)，主要有TiC、SiC和Si3N4等。因為非金屬粉末具有高彈性模量，作為增韌相添加到Al2O3陶瓷基體中，形成的復(fù)合陶瓷材料的韌性強度要比單相Al2O3陶瓷高很多，特別是高溫斷裂韌性。延性顆粒強化Al2O3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。常見的金屬顆粒體系有：Cr/Al2O3、Fe/Al2O3、Ni/Al2O3和Mo/Al2O3等。延性金屬單質(zhì)或金屬間化合物顆粒作為增韌相，不僅可細(xì)化Al2O3晶粒，改善燒結(jié)性能，還能以多種方式阻礙裂紋的擴展，如金屬粒子的拔出、塑性變形以及裂紋橋接、偏轉(zhuǎn)、釘扎等作用，進而改善Al2O3陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌性。
2、Al2O3 基陶瓷層狀增韌；
人們由于受到自然界中貝殼微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，萌生了層狀增韌陶瓷結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)想。目前Al2O3基層狀增韌陶瓷基體大多是由多層彈性模量，線膨脹系數(shù)均不相同的材料構(gòu)成。這樣層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在基體內(nèi)部形成眾多與應(yīng)力方向垂直的弱界面。在受到外載荷作用下，裂紋在層與層之間弱界面擴展過程中會發(fā)生反復(fù)的僑接拐折，能夠提高材料的整體韌性和對缺陷敏感度。
3、Al2O3 基陶瓷自增韌
自增韌技術(shù)，就是在一定的工藝條件下，生長出增韌、增強相。它在一定程度上消除了基體相與增韌相在物理或化學(xué)上的不相容性，而保證了基體相與增韌相的熱力學(xué)穩(wěn)定性。對于Al2O3基陶瓷自增韌技術(shù)主要通過在基體中引入添加劑或晶種兩種方式來實現(xiàn)Al2O3基陶瓷增韌。引入晶種法是通過原位復(fù)合技術(shù)在氧化鋁原料中加入某種可以生成第二相的原料，控制生成條件和反應(yīng)過程，使添加的第二相原位生成晶粒長徑比大、晶須均勻分布的晶片增強體。
對于Al2O3基陶瓷自增韌技術(shù)而言，如何優(yōu)化制備工藝，進而生長出性能優(yōu)異，呈三維網(wǎng)狀分布的棒狀、長柱狀甚至針狀氧化鋁晶�；蛳嗳菪院玫钠渌艟�，是自增韌技術(shù)需要進一步研究的方向。
4、Al2O3 基陶瓷微裂紋增韌
微裂紋增韌是指因熱膨脹失配或相變誘發(fā)出顯微裂紋，這些尺寸很小的微裂紋在主裂紋尖端過程區(qū)內(nèi)張開而分散和吸收能量，使主裂紋擴展阻力增大，從而使斷裂韌性提高。微裂紋增韌在眾多的復(fù)相陶瓷體系中得到證實，如ZrO2增韌Al2O3陶瓷材料。
顆粒與基體膨脹系數(shù)αp和αm，在顆粒與基體之間可能造成熱膨脹系數(shù)失配（Δα=αp–αm），顆粒受力。
當(dāng)Δα<0，顆粒受壓應(yīng)力，基體受拉應(yīng)力，裂紋通過基體擴展；
當(dāng)Δα>0，顆粒受拉應(yīng)力，基體受壓應(yīng)力，裂紋通過顆粒擴展（穿晶）；
但也有可能裂紋繞過顆粒在顆粒與基體界面擴展（沿晶）。不管何種情況，裂紋均增加了擴展的路徑，因此增加了裂紋擴展的阻力，消耗了能量（新的表面），提高了材料的韌性。
5、Al2O3 基陶瓷晶須(纖維)增韌
晶須(纖維)增韌Al2O3基陶瓷較其它增韌方法相比是迄今為止增韌效果最好方法�？梢酝ㄟ^外加晶須(纖維)法和原位生長晶須(纖維)法添加到Al2O3陶瓷基體中混合成形燒結(jié)得到增韌陶瓷。晶須(纖維)除了可以來分擔(dān)外加的載荷還能與陶瓷基體的弱界面結(jié)合吸收系統(tǒng)外來能量，從而改善陶瓷材料脆性。
增韌主要機理為:
裂紋橋聯(lián)機制：裂紋在基體擴展的過程中，晶須(纖維)可以將裂紋尖端區(qū)域和基體界面開裂區(qū)域裂紋橋聯(lián)起來，在裂紋的表面形成閉合應(yīng)力，可有效抑制裂紋擴展；
裂紋偏轉(zhuǎn)機制：裂紋在擴展過程中遇到晶須纖維界面等時，裂紋只能沿結(jié)合較弱的界面擴散，因此裂紋在材料基體中的擴展路程增長，能夠吸收更多的斷裂能量；
拔出效應(yīng)機制：當(dāng)基體受到外載荷時，基體傳向晶須的力會在界面開裂區(qū)和晶粒拔出區(qū)二者界面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。應(yīng)力的持續(xù)增大會導(dǎo)致晶粒斷裂從基體中拔出，晶粒拔出的過程中界面摩擦?xí)黾油饨巛d荷能量消耗，減小裂紋在基體中擴展速度。
發(fā)布時間：2020-04-25 點擊數(shù)： 
