韌性氧化鋁陶瓷的國內外研究狀況和制備工藝

謝佳慧

摘 要：本文通過總結國內外韌性氧化鋁陶瓷的研究手段與進展，總結出一套新型的韌性氧化鋁陶瓷制備流程——ZrO2增韌Al2O3陶瓷。各項流程均秉持著采取成本低廉但能獲得很好效果的優化工藝，改善了傳統工藝中的不足，并注明了制備過程中的注意事項。

關鍵詞：氧化鋁陶瓷;增韌;ZrO2

1 國內外研究狀況

1.1 氧化鋁陶瓷增韌方式[1]

1.1.1.纖維增韌陶瓷基復合材料

纖維增韌是陶瓷材料增韌方法中效果最顯著和除細晶強化外效果最好的強化方法，這主要是因為它能提高陶瓷基復合材料的韌性，也能同時提高陶瓷基復合材料的強度，這也是近代材料研究領域熱點和重點問題。纖維增強陶瓷基復合材料（CMC）是通過選用高強度、高模量的陶瓷纖維與陶瓷基體制備出來，這種陶瓷基復合材料通過借助纖維拔出、纖維橋聯和裂紋偏轉等增韌機制，得以改善陶瓷本身固有的強度和韌性。

1.1.2.顆粒增韌氧化鋁基陶瓷復合材料

顆粒彌散增韌機理主要有切應力阻礙微裂紋擴展增韌、熱應力誘導微裂紋增韌、弱化應力集中增韌、微裂紋偏轉與分支及細化基體晶粒。氧化鋁陶瓷材料選用的粘結劑如鋁、鎳、鉻等韌性金屬顆粒作為增韌相，主要借助于金屬的塑性變形來吸收外加載荷。其主要增韌機理是當裂紋遇到增韌相時，發生裂紋移位或在顆粒處發生偏轉，以此消耗裂紋尖端得能量，達到增韌的目的。因其與溫度無關，顆粒彌散增韌可以用來作為高溫增韌的方法。

1.1.3.金屬添加相增韌氧化鋁基復合材料

金屬種類的選擇主要依據以下理論：從滑移系數方面分析，具有立方晶格的金屬有12個滑移系，塑性變形的能力較優;而具有密排六方晶格的金屬僅有3個滑移系，塑性變形的能力較差。從晶格分類方面分析，體心立方和面心立方晶格的金屬同樣有12個滑移系，似乎應具有同樣好的塑性，但事實是面心立方晶格的A1，Cu和γ-Fe等金屬的塑性明顯比體心立方晶格的α-Fe好。經研究證明，對于金屬塑性變形的能力來說，滑移方向的作用大于滑移面的作用。體心立方晶格中每個晶胞滑移面上的滑移方向僅有兩個，而面心立方晶格中每個晶胞滑移面上卻有3個滑移方向，因而后者的塑性變形能力更好。

1.2 國內外應用現狀[1]

氧化鋁陶瓷由于其耐高溫、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等金屬材料難以相比的優點，已廣泛應用于汽車發動機、航空航天、國防軍工、冶金、醫療、光學、機械電子、化工等領域。目前，氧化鋁陶瓷已成為材料科學領域最為活躍的研究領域之一。它是成本低、發展比較早、應用最廣的一種陶瓷材料。但它同大多數陶瓷材料一樣，存在著抗熱震性差和斷裂韌性低的缺點，限制了氧化鋁陶瓷在工程結構中的應用。

莫來石纖維是當今國內外最新型的超輕質高溫耐火材料，是Al2O3-SiO2中的一種，使用溫度一般在1500-1600℃，外觀呈白色，富有彈性，柔軟、光滑，不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很好地復合制成高強度、質量輕的元件;電氣絕緣、電波透過性能好，表面活性好，在高溫下具有極佳的耐化學腐蝕和抗氧化性，耐高溫，用它制備的導彈殼體，則有可能不開天線窗，將天線裝在彈內。

2 制備工藝

2.1 ZrO2增韌Al2O3陶瓷的制備工藝過程

1.熱分解法制備Al2O3粉末：硫酸鋁銨加熱分解得到Al2O3。

得到的粉末在還原氣氛下進行預燒，時γ-Al2O3全部轉變為α-Al2O3。

2.沉淀包裹法制備ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末

3.等靜壓成型：將制好的ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末裝入模具之中并采用模壓的方法成型，

模壓壓力為96MPa，保壓時間為5min。將模壓好的坯體進行真空封裝，然后進行等靜壓成型，逐漸加壓到200 MPa后保壓120s，最后緩慢泄壓，將樣品取出。

4.微波兩步燒結[2]：用微波燒結爐將樣品從室溫開始以10℃/min升溫至最高點溫度1500℃，之后以10℃/min降溫至1300℃，經過5h保溫，隨后以5℃/min的速率降溫至室溫。

5.表面處理;6.封裝;7.性能測試

2.2 注意事項

1.制備Al2O3粉末時：

（1）原料應易于獲得，價格低廉，可降低生產成本。（2）顆粒越小越好，最好能夠達到納米級別。（3）高純度的原料對陶瓷性能更有利。

2.制備ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末時要合理地控制ZrO2彌散粒子的相變過程：

（1）控制ZrO2彌散粒子的尺寸;（2）控制ZrO2顆粒的分布狀態;（3）最佳的ZrO2體積分數和均勻的ZrO2彌散程度;（4）陶瓷基體和ZrO2粒子熱膨脹系數的匹配;（5）控制ZrO2基體彌散粒子的化學性質。

3.制備ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末時不同組分間應盡量做到離子程度的混合，所以采取沉淀包裹法最好，ZrO2粒子均勻分散，使Al2O3顆粒包裹ZrO2，從而使相變產生良好的增韌效果。

4.等靜壓成型是要將柔性袋中的氣體排出。

5.燒結時的溫度、時間、氣氛、壓力、升降溫速度以及保溫時間等都對韌性氧化鋁陶瓷產生影響。

（1）燒結時應在使粉體致密程度最高、氣孔率最小的前提下，盡可能地降低燒結溫度，縮短燒結時間，節約成本;

（2）氧的氣壓越低越有利于燒結，在氬氣和空氣中燒結最好;

（3）升溫速率過快易造成變形和開裂，按照氣孔收縮的情況來控制升溫速率，不會使早期致密化的速率過大，也不會過早地封閉氣孔，使氣孔不能完全排除，也可防止粗晶的出現;

（4）合適的保溫時間可以進一步改善粉體的致密程度，根據四大燒結機理，保溫可使粉體傳質更加均勻，有利于氣孔排出。

7.微波燒結內外同時加熱，可活化分子，燒結成本低，但是燒的更細更均勻，提高韌性氧化鋁的性能。

8.燒結時可加入添加劑降低燒成溫度，促進燒結。

參考文獻

[1]邢國紅.金屬Ni增韌MF/AlO復合陶瓷材料研究[D].濟南大學，2010.

[2]徐德良，方層層，詹迎旭，etal.微波兩步法燒結氧化鋁陶瓷及對韌性的影響[J].陶瓷學報，39（2）：174-180.

（作者單位：東北大學秦皇島分校）