韧性氧化铝陶瓷的国内外研究状况和制备工艺

谢佳慧

摘 要：本文通过总结国内外韧性氧化铝陶瓷的研究手段与进展，总结出一套新型的韧性氧化铝陶瓷制备流程——ZrO2增韧Al2O3陶瓷。各项流程均秉持着采取成本低廉但能获得很好效果的优化工艺，改善了传统工艺中的不足，并注明了制备过程中的注意事项。

关键词：氧化铝陶瓷;增韧;ZrO2

1 国内外研究状况

1.1 氧化铝陶瓷增韧方式[1]

1.1.1.纤维增韧陶瓷基复合材料

纤维增韧是陶瓷材料增韧方法中效果最显著和除细晶强化外效果最好的强化方法，这主要是因为它能提高陶瓷基复合材料的韧性，也能同时提高陶瓷基复合材料的强度，这也是近代材料研究领域热点和重点问题。纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）是通过选用高强度、高模量的陶瓷纤维与陶瓷基体制备出来，这种陶瓷基复合材料通过借助纤维拔出、纤维桥联和裂纹偏转等增韧机制，得以改善陶瓷本身固有的强度和韧性。

1.1.2.颗粒增韧氧化铝基陶瓷复合材料

颗粒弥散增韧机理主要有切应力阻碍微裂纹扩展增韧、热应力诱导微裂纹增韧、弱化应力集中增韧、微裂纹偏转与分支及细化基体晶粒。氧化铝陶瓷材料选用的粘结剂如铝、镍、铬等韧性金属颗粒作为增韧相，主要借助于金属的塑性变形来吸收外加载荷。其主要增韧机理是当裂纹遇到增韧相时，发生裂纹移位或在颗粒处发生偏转，以此消耗裂纹尖端得能量，达到增韧的目的。因其与温度无关，颗粒弥散增韧可以用来作为高温增韧的方法。

1.1.3.金属添加相增韧氧化铝基复合材料

金属种类的选择主要依據以下理论：从滑移系数方面分析，具有立方晶格的金属有12个滑移系，塑性变形的能力较优;而具有密排六方晶格的金属仅有3个滑移系，塑性变形的能力较差。从晶格分类方面分析，体心立方和面心立方晶格的金属同样有12个滑移系，似乎应具有同样好的塑性，但事实是面心立方晶格的A1，Cu和γ-Fe等金属的塑性明显比体心立方晶格的α-Fe好。经研究证明，对于金属塑性变形的能力来说，滑移方向的作用大于滑移面的作用。体心立方晶格中每个晶胞滑移面上的滑移方向仅有两个，而面心立方晶格中每个晶胞滑移面上却有3个滑移方向，因而后者的塑性变形能力更好。

1.2 国内外应用现状[1]

氧化铝陶瓷由于其耐高温、高硬度、耐磨损和耐腐蚀等金属材料难以相比的优点，已广泛应用于汽车发动机、航空航天、国防军工、冶金、医疗、光学、机械电子、化工等领域。目前，氧化铝陶瓷已成为材料科学领域最为活跃的研究领域之一。它是成本低、发展比较早、应用最广的一种陶瓷材料。但它同大多数陶瓷材料一样，存在着抗热震性差和断裂韧性低的缺点，限制了氧化铝陶瓷在工程结构中的应用。

莫来石纤维是当今国内外最新型的超轻质高温耐火材料，是Al2O3-SiO2中的一种，使用温度一般在1500-1600℃，外观呈白色，富有弹性，柔软、光滑，不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合制成高强度、质量轻的元件;电气绝缘、电波透过性能好，表面活性好，在高温下具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，耐高温，用它制备的导弹壳体，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。

2 制备工艺

2.1 ZrO2增韧Al2O3陶瓷的制备工艺过程

1.热分解法制备Al2O3粉末：硫酸铝铵加热分解得到Al2O3。

得到的粉末在还原气氛下进行预烧，时γ-Al2O3全部转变为α-Al2O3。

2.沉淀包裹法制备ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末

3.等静压成型：将制好的ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末装入模具之中并采用模压的方法成型，

模压压力为96MPa，保压时间为5min。将模压好的坯体进行真空封装，然后进行等静压成型，逐渐加压到200 MPa后保压120s，最后缓慢泄压，将样品取出。

4.微波两步烧结[2]：用微波烧结炉将样品从室温开始以10℃/min升温至最高点温度1500℃，之后以10℃/min降温至1300℃，经过5h保温，随后以5℃/min的速率降温至室温。

5.表面处理;6.封装;7.性能测试

2.2 注意事项

1.制备Al2O3粉末时：

（1）原料应易于获得，价格低廉，可降低生产成本。（2）颗粒越小越好，最好能够达到纳米级别。（3）高纯度的原料对陶瓷性能更有利。

2.制备ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末时要合理地控制ZrO2弥散粒子的相变过程：

（1）控制ZrO2弥散粒子的尺寸;（2）控制ZrO2颗粒的分布状态;（3）最佳的ZrO2体积分数和均匀的ZrO2弥散程度;（4）陶瓷基体和ZrO2粒子热膨胀系数的匹配;（5）控制ZrO2基体弥散粒子的化学性质。

3.制备ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末时不同组分间应尽量做到离子程度的混合，所以采取沉淀包裹法最好，ZrO2粒子均匀分散，使Al2O3颗粒包裹ZrO2，从而使相变产生良好的增韧效果。

4.等静压成型是要将柔性袋中的气体排出。

5.烧结时的温度、时间、气氛、压力、升降温速度以及保温时间等都对韧性氧化铝陶瓷产生影响。

（1）烧结时应在使粉体致密程度最高、气孔率最小的前提下，尽可能地降低烧结温度，缩短烧结时间，节约成本;

（2）氧的气压越低越有利于烧结，在氩气和空气中烧结最好;

（3）升温速率过快易造成变形和开裂，按照气孔收缩的情况来控制升温速率，不会使早期致密化的速率过大，也不会过早地封闭气孔，使气孔不能完全排除，也可防止粗晶的出现;

（4）合适的保温时间可以进一步改善粉体的致密程度，根据四大烧结机理，保温可使粉体传质更加均匀，有利于气孔排出。

7.微波烧结内外同时加热，可活化分子，烧结成本低，但是烧的更细更均匀，提高韧性氧化铝的性能。

8.烧结时可加入添加剂降低烧成温度，促进烧结。

参考文献

[1]邢国红.金属Ni增韧MF/AlO复合陶瓷材料研究[D].济南大学，2010.

[2]徐德良，方层层，詹迎旭，etal.微波两步法烧结氧化铝陶瓷及对韧性的影响[J].陶瓷学报，39（2）：174-180.

（作者单位：东北大学秦皇岛分校）