氧化铝陶瓷增韧方法有哪些

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中有着举足轻重的地位。从古至今，人们的日常生产和生活都离不开陶瓷材料。但是由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性较差，限制了陶瓷材料的应用。如何解决陶瓷材料的脆性和韧性一直以来都是陶瓷研究的焦点问题。

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米陶瓷能够克服陶瓷材料的脆性，提高材料的硬度，使陶瓷具有像金属似的柔韧性和可加工性。

何为纳米陶瓷？

纳米陶瓷是近20年发展起来的新型超结构陶瓷材料，是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体，以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料。根据纳米陶瓷材料的性能，可将其分为两大类：

纳米结构陶瓷

在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒，或者将传统陶瓷粉体纳米化，通过烧结凝固时控制凝固或晶体相的大小和分布，从而改变陶瓷显微结构以提高其力学性能，制得纳米陶瓷材料。

纳米结构陶瓷改变的力学性能包括硬度、强度、塑性、韧性。

纳米功能陶瓷

纳米功能陶瓷是通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒，或本身功能在常规微米级时未能完全表现出来的，在通过超细化后而得到表现，从而具有特殊功能的纳米陶瓷材料。

这些特殊功能包括：声学、、光学、电学、磁学、生物活性、对环境敏化性等。

纳米陶瓷的制备

纳米陶瓷的制备工艺主要包含两部分：纳米陶瓷粉体的制备和致密化成块状纳米陶瓷材料。世界上对纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样，但应用较广且方法较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成2种。

纳米粉体的制备

气相合成：气相合成又分为气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法等。化学气相合成法既可制备纳米非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体。该法合成的粉体具有较强的低温可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料的坩埚中经加热直接蒸发成气态，以产生悬浮微粒或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制，粒径可小至3?4nm，是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一。

凝聚相合成（溶胶一凝胶法）：是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物，通过控制PH值、反应温度等条件让其水解、聚合，经溶胶凝胶而形成一种空间骨架结构，再脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米团。

致密化成块状纳米陶瓷材料

从纳米粉体制成块状纳米陶瓷材料，就是通过工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块状纳米陶瓷材料。在致密化的过程中，保持了纳米晶的特性。方法有：

沉降法：如在固体衬底上沉降。

原位凝固法：在反应室内设置一个充液氮的冷却管，纳米团冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接经漏斗送入压缩器，压缩成一定形状的块状纳米陶瓷材料。

烧结或热压法：烧结温度提高，增加了物质扩散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在烧结温度下，纳米颗粒以较快的速率粗化，制成块状纳米陶瓷材料。

纳米陶瓷的增强增韧

陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。当其添加纳米级粉料后，材料的力学性能能得到极大地改善，主要包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。

通常来说，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低。而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。

纳米陶瓷在一定程度上克服了传统陶瓷质地较脆、韧性和强度较差等缺点，并对材料的力学、电学、热学、磁学等性能产生重要影响。纳米陶瓷作为一种高科技产品，拓宽了传统陶瓷的应用领域，在军事、汽车、发动机、电子、防护等诸多方面独有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等恶劣环境下起着不可替代的作用。

韧性，是指材料变形时吸收变形力的能力或者

材料的断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。与脆性相反，材料在断裂前有较大形变、断裂时断面常呈现外延形变，此形变不能立即恢复，其应力-形变关系成非线性、消耗的断裂能很大的材料。

通常以冲击强度的大小、晶状断面率来衡量。韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。而刚性材料它的硬度、拉伸强度较大；断裂伸长率和冲击强度就可能低一些；拉伸弹性模量就较大。弯曲强度反应材料的刚性大小，弯曲强度大则材料的刚性大，反之则韧性大。

刚性和脆性一般是连在一起的。脆性是指当外力达到一定限度时,材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明显塑性变形的性质。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度,破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比,它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。作为工程塑料，我们希望它同时具有良好的韧性和刚性。在改善材料的韧性时，还应设法提高刚性。一般加入弹性体可增加韧性，加入无机填料可增加刚性。最有效的方法是将弹性体的增韧和填料的增强结合起来。

日常生产中，常常需要塑料侧重于某种性能突出。例如，聚乙烯等塑料要求韧性较好，不然的话受力后容易裂开，而酚醛塑料之类则要求其刚性较好，在这种场合下不需要变形，需要承受较大的力而不变形或碎裂，这就要求有较好的刚性。特殊情况下有些塑料既需要一定的韧性，又需要一定的刚性，例如仪器脚垫，需要在承受压力时尽量少的变形，但又不能因为受力容易碎裂，需要一定的韧性。

拔出的机理，这种方式主要是在机体的裂纹中进行扩展的，主要会让基体与晶粒之间都可以得到解离，等应力出现加剧的时候，较为弱些的晶粒其实就会出现断裂，最后才会将其整个的从基体中拔出，但是在整个拔出的过程中，肯定会造成能力出现损耗，所以就会对氧化锆陶瓷起到增韧的最后效果。

裂纹的偏转，当整个裂纹在不断扩展的过程中，会出现较多的长柱形颗粒，一旦碰触到的话，那么其裂纹就会出现折弯，都是随着较弱的颗粒而出现的，但是裂纹会因为垂直度的不同而出现偏离，所以裂纹在路径上也会随之变长，自然会造成能量的消耗，同样达到氧化锆陶瓷增韧的目的。

桥接的机理，当机体内部出现裂纹的时候，实际上晶体已经受到了外在的载荷，类似于我们所说的桥梁的结构，但是晶体则是主要由生产力得出的，但是这个力则会在载荷损耗之前消失，所以基本所有的裂纹都会出现闭合的现象，不仅仅是提高了增韧的效果，还将强度得到了有效的提升。

2、氧化锆增韧氧化铝陶瓷也就是ZTA,它是在99氧化铝中加入纯Zr02氧化锆，粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷。当氧化锆添加到适当时，可使氧化铝韧性显著提高。可以说对氧化铝陶瓷的增韧是目前使用最多的增韧方法，大概比例是添加20%的氧化锆（ZrO2）才可增韧氧化铝。

2、氧化锆增韧氧化铝陶瓷也就是ZTA,它是在99氧化铝中加入纯Zr02氧化锆，粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷。当氧化锆添加到适当时，可使氧化铝韧性显著提高。可以说对氧化铝陶瓷的增韧是目前使用最多的增韧方法，大概比例是添加20%的氧化锆（ZrO2）才可增韧氧化铝。

疲劳断裂实质上还是裂纹的扩展,最终导致的断裂。由于陶瓷比金属脆性大,对应力集中产生的疲劳裂纹扩展更敏感,在裂纹产生到最终断裂的时间短,在宏观上就表现为对疲劳的敏感。如果要更深一步了解,可以参考疲劳断裂相关书籍资料,有很多公式和参数从微观角度深层次进行分析。

众所周知，陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、重量轻等优点，因此在工业领域中得到广泛的应用。但是陶瓷材料有一个致命弱点！那就是太脆了！这限制了陶瓷优良性能的发挥，也限制了其实际的应用，因此陶瓷的增韧技术。

一直是陶瓷行业研究的热点。1相变增韧关于相变增韧的研究主要是围绕ZrO2的相变特性展开的，是通过控制烧结工艺使内部的微观组织产生增韧相，消耗裂纹扩展所需能量的同时造成相变体积膨胀促使其它裂纹闭合，是一种自增韧过程。

以ZrO2和HfO2为例，随温度变化会发生以下同素异构转变：在实际材料中究竟何种增韧机制起主导作用，在很大程度上取决于四方相向单斜相马氏体相变的程度高低及相变在材料中发生的部位。至今为止,利用部分稳定氧化锆的相变增韧是最为成功的增韧方法之一。

但是由于许多脆性材料并不一定具备这种有利于增韧的相变，并且还受温度的影响较大，所以这种增韧方法还不能得到普遍应用。2微裂纹增韧单斜相ZrO2增韧Al2O3陶瓷和TiB2增韧SiC陶瓷是典型的微裂纹增韧。

微裂纹的形成将起到分散裂纹尖端能量的作用，增加了扩展过程中的表面能，从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加材料韧性。这就是微裂纹增韧，其原理。诱发微裂纹增韧主要有三种方法。

1、完成烧结后，温度降低过程中，自然产生。

2、烧结温度过高，晶粒异常长大，产生微裂纹。

3、材料受到外界应力作用。然而微裂纹增韧只增加了陶瓷集体的韧性，而对其强度是有很大的影响的，因此实际操作中，应适当控制微裂纹的产生。