【原创】 浅析氧化铝陶瓷增韧技术

中国粉体网讯  氧化铝陶瓷是氧化物中最稳定的物质 , 具有机械强度高 、高的电绝缘性与低的介电损耗等特点, 在航天 、航空 、纺织、建筑等方面 ,具有广阔的应用前景。但是 ,由于它高脆性和均匀性差等致命弱点 ,影响了陶瓷零部件的使用安全性 ,因此 ,提高氧化铝陶瓷的韧性是亟待解决的重要问题。

1、氧化铝陶瓷为何如此脆呢？

金属材料很容易产生塑性变形，原因是金属键没有方向性。而在陶瓷材料中，原子间的结合键为共价键和离子键，共价键有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近时斥力很大，所以主要由离子晶体和共价晶体组成的陶瓷，滑移系很少，一般在产生滑移以前就发生断裂。

为了减少氧化铝基陶瓷材料的脆性 ,除了采用先进的制备工艺外 ,还需要在氧化铝陶瓷的增韧技术方面开展广泛及深入的研究 。目前 ,该研究主要集中在以下几个方面 。

①、相变增韧

把相变作为陶瓷增韧的手段并取得显著效果是从部分稳定氧化锆提高抗热震性的研究开始的 。由于氧化锆相变的自身特点, 氧化锆增韧氧化铝陶瓷，被证明具有较好的增韧效果 。目前 , 基于相变增韧的 ZTA 已可用作许多零部件的结构材料。

纯氧化锆在 1000 ℃附近有固相转变 : 正方相( t) →单斜相( m) ,属于马氏体转变 ,将产生 3 %～5 %的体积膨胀。当裂纹扩展进入含有t -ZrO₂晶粒的区域时 ,在裂纹尖端应力场的作用下 ,在裂纹尖端形成过程区,即过程区内的t -ZrO₂将发生t→m相变 ,因而除产生新的断裂表面而吸收能量外,还因相变时的体积效应( 膨胀)而吸收能量。同时由于过程区内t→m 相变粒子的体积膨胀而对裂纹产生压应力 ,阻碍裂纹扩展。

相对而言, 即是提高了材料的裂纹尖端临界应力强度因子——断裂韧性。将ZrO₂的t→ m 相变韧化作用及由于t →m 相变而派生出来的显微裂纹韧化与残余应力韧化作用引入氧化铝基体,可使韧性得到显著提高。

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、晶须 、纤维和碳纳米管增韧

相对于氧化铝基陶瓷的相变增韧, 利用晶须和纤维增韧是一种比较有发展前途的增韧技术。晶须在拔出和断裂时 ,都要消耗一定的能量, 有利于阻止裂纹的扩展 。提高晶须强度和降低晶须弹性模量有利于材料韧性提高 ; 增大晶须尺寸( 长度 、半径和长径比) 能提高晶须增韧效果。

在陶瓷基体中加入定向或取向或无序排布的纤维,可获得高强度和高韧性的陶瓷复合材料, 这已成为氧化铝陶瓷领域的发展方向之一。为了达到纤维复合增韧的目的, 纤维与基体材料之间必须满足 2 个条件: ①起增强作用的纤维弹性系数必须高于氧化铝陶瓷基体的弹性系数;②纤维与基体之间必须是相容的。

③、颗粒弥散增韧

陶瓷材料的机械性能可以通过添加颗粒金属相得以提高,在脆性陶瓷中引入延性金属相被证明也是一种很有前途的增韧方法。金属粒子作为延展性第二相引入陶瓷基体内,不仅改善了陶瓷的烧结性能,而且可以以多种方式阻碍陶瓷材料中裂纹的扩展, 使得复合材料的抗弯强度和断裂韧性得以提高 。

当其形状是颗粒状时, 增韧机制主要是裂纹偏转; 而金属的塑性变形则主要发生于金属呈纤维、薄片等形状存在的复合材料中 。陶瓷与金属间化合物都是可用于高温使用的材料。

通过细化基体晶粒和裂纹屏蔽作用 , 耗散裂纹前进的动力 ,达到增韧目的 。尽管效果不如纤维和晶须 ,但工艺简便易行 , 且成本低 ,只要颗粒的种类 、大小 、含量等参数选择适当 ,增韧效果还是十分明显的。

④、纳米技术增韧

纳米材料与纳米技术方面的研究有可能使陶瓷增韧技术获得革命性突破 。一方面 ,纳米陶瓷由于晶粒的细化 , 晶界数量会大大增加 ,同时纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料的宏观强度 ,结果可使材料的强度 、韧性大大增加 。另一方面 ,在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合 , 不仅可大幅度提高其强度和韧性 ,明显改善其耐高温性能。

因此 ,氧化铝陶瓷纳米化及纳米复合目前已成为改善其断裂韧性的最重要途径之一 。

纳米复相陶瓷的强韧化机理 , 主要通过以下几个效应体现: ①弥散相的引入有效地抑制了基质晶粒的生长和减轻了晶粒的异常长大 ; ②弥散相或弥散相周围存在局部应力 ,使晶粒细化而减弱主晶界的作用 ; ③纳米粒子高温牵制位错运动 , 使高温力学性能如硬度 、强度及抗蠕变性得到改善。