al2o3陶瓷材料的增韧

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1、Al2O3陶瓷材料的增韧摘要：随着科技的发展，现在好多领域都用到了陶瓷材料，因此陶瓷材料越来越受到人类的青睐，特别是氧化铝陶瓷材料。但因氧化铝陶瓷因脆性而限制了其广泛应用。本文对目前氧化铝瓷的增韧方法及主要机理进行了评述，主要有层状复合增韧、纳米复合增韧、纤维（晶须）增韧、自增韧等。其中复合增韧是主要手段。而且纳米技术和微观结构设计将是今后氧化铝提高韧性的发展方向。我相信在增强了器韧性之后，氧化铝陶瓷材料会的到更广泛的应用。关键词：氧化铝；增韧；陶瓷材料引言：氧化铝陶瓷材料的结构属于刚玉型，其本身具有离子键的特性，使得滑移

2、系统远没有金属那么多，这导致其缺乏一定的韧性、塑性。所以表现出的断裂韧性较低，通常只有3~4Mpa.m1/2,而显示了脆性，这大大地限制了氧化铝瓷的广泛应用。为此，很多学者研究了如层状增韧、纤维复合增韧等许多方法来提高它的韧性，取得了一定的进展。而最近的研究表明从微观结构设计、纳米复合技术方面来提高韧性有其独特的优势。正文：1增韧方法1.1层状增韧天然生物材料如竹、贝壳等组成简单，但综合性能很好，是因其结构呈层状分布。人们从这些天然结构得到启示，采用仿生结构来改善陶瓷材料的脆性，提高其韧性。-13-层状复合陶瓷材料是由多层

3、材料组成。各层的弹性模量、线胀系数不同，进而导致层间产生宏观应力，在表面产生压应力。受到外力作用时，能最大限度地吸收应变能，并且使裂纹沿界面产生反复偏转、拐折。以此达到提高表面性能和整体韧性的目的。成茵等[1]的Al2O3/Ni层状陶瓷，利用镍的线胀系数约为氧化铝的)倍,在Al2O3层产生应压力，裂纹偏转能力大，所以该材料有较好的韧性。Zimovcak研制的Al2O3/Al2O3+ZrO2层状材料[2]，也是利用从烧结温度冷却时，因线胀系数的不同产生而残余压应力，促使界面裂纹偏转来提高韧性。陈蓓等[3]制备的层状ZTA复合

4、陶瓷在相对密度为99%时，断裂韧性达20Mpa.m1/2。Tomaszewski在研究TZP/Al2O3层状陶瓷时发现，残余应力会引起裂纹扩展阻力增加，并产生偏转而韧性得以提高[3]。层状陶瓷是一新型材料，前景广阔，但其缺点主要是弱夹层会降低材料强度，平行和垂直于夹层方向的性质差别较大，呈各向异性。所以有人提出了采用强夹层的思路[4],制备出了ZTA/Al2O3强夹层，冲击韧性达10Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，Al2O3陶瓷的5.6倍。常旭等[5]通过计算机对层状复合陶瓷进行了模拟，发现如果软层材料的强度

5、太高、太低都会降低整体韧性，而提高硬、软层层厚和弹性模量之比，硬层均匀性均可提高陶瓷韧性。这为层状增韧陶瓷提供了一定的研究思路和优化途径。1.2纤维复合增韧-13-研究表明，连续纤维对陶瓷的增韧效率较其他增韧方法大，是迄今为止陶瓷系列所能达到的最高韧性，可以达20Mpa.m1/2左右[6]。因而成为改善陶瓷材料脆性非常有效的途径。该方法把强度、弹性模量较高的纤维分散在陶瓷基体中。复合材料在外力作用下，一部分载荷由纤维承担，以此来减轻基体本身的负荷。而且，基体中的纤维在承受力大于其强度发生断裂时，纤维产生拔出机制。此外，这些

6、纤维在基体中也存在裂纹桥联、偏转来阻止裂纹的扩展。这3种增韧机制共同作用使陶瓷材料的韧性提高很多。目前，用于Al2O3陶瓷的纤维主要有C纤维、SiC纤维、硅酸铝纤维等多种[7]。研究发现，提高纤维的长径比可提高增韧效果。在纤维的使用形式上，采用纤维,的三维编织物增韧效果较好。谢征芳[8]用C纤维的编织物来增韧Al2O3材料，由于断口表面有大量的纤维拔出，呈典型的韧性断裂模式，所以断裂韧性较高。与纤维类似，目前采用晶须增韧Al2O3瓷的也较多，效果也很好。因晶须是以单晶结构生长、直径极小（通常小于3um）的短纤维。其晶体缺陷

7、少，原子排列高度有序，强度接近相邻原子间成键力的理论值。理论和实践证明，把它应用于陶瓷的增韧，对提高韧性有一定作用。如把SiC晶须（体积分数可达20%～30%）引入Al2O3基陶瓷中[9],段韧性可达8～8.5Mpa.m1/2,但1000。C以上，韧性切有所下降。李国星[10]在Al2O3微粉中加入MgB2,于900。C生长出竹节状仿生MgO晶须，对韧性的提高起到了很好的作用。Pettersson[11]用体积分数为30%的Ti(C,N)晶须，使Al2O3瓷的断裂韧性提高到5.0Mpa.m1/2以上。-13-晶须增韧的机制

8、除了拔出、裂纹偏转、裂纹桥联、钉扎等机制外，自身强度高也是一个原因。因此在理论上，提高晶须强度、降低其弹性模量，提高长径比能提高增韧效果。近年来，纳米管因其自身的优异性能而倍受人们的关注。其弹性模量、强度等性能优越。把诸如纳米C管之类的管状、棒状等纳米材料用于Al2O3陶瓷的增韧，可能会有意想不到的效果