韌性氧化鋁陶瓷的國(guó)內(nèi)外研究狀況和制備工藝

謝佳慧

摘 要：本文通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外韌性氧化鋁陶瓷的研究手段與進(jìn)展，總結(jié)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(xiàng)流程均秉持著采取成本低廉但能獲得很好效果的優(yōu)化工藝，改善了傳統(tǒng)工藝中的不足，并注明了制備過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：氧化鋁陶瓷;增韌;ZrO2

1 國(guó)內(nèi)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(fù)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(xì)晶強(qiáng)化外效果最好的強(qiáng)化方法，這主要是因?yàn)樗芴岣咛沾苫鶑?fù)合材料的韌性，也能同時(shí)提高陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)度，這也是近代材料研究領(lǐng)域熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是通過(guò)選用高強(qiáng)度、高模量的陶瓷纖維與陶瓷基體制備出來(lái)，這種陶瓷基復(fù)合材料通過(guò)借助纖維拔出、纖維橋聯(lián)和裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機(jī)制，得以改善陶瓷本身固有的強(qiáng)度和韌性。

1.1.2.顆粒增韌氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料

顆粒彌散增韌機(jī)理主要有切應(yīng)力阻礙微裂紋擴(kuò)展增韌、熱應(yīng)力誘導(dǎo)微裂紋增韌、弱化應(yīng)力集中增韌、微裂紋偏轉(zhuǎn)與分支及細(xì)化基體晶粒。氧化鋁陶瓷材料選用的粘結(jié)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(lái)吸收外加載荷。其主要增韌機(jī)理是當(dāng)裂紋遇到增韌相時(shí)，發(fā)生裂紋移位或在顆粒處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以此消耗裂紋尖端得能量，達(dá)到增韌的目的。因其與溫度無(wú)關(guān)，顆粒彌散增韌可以用來(lái)作為高溫增韌的方法。

1.1.3.金屬添加相增韌氧化鋁基復(fù)合材料

金屬種類(lèi)的選擇主要依據(jù)以下理論：從滑移系數(shù)方面分析，具有立方晶格的金屬有12個(gè)滑移系，塑性變形的能力較優(yōu);而具有密排六方晶格的金屬僅有3個(gè)滑移系，塑性變形的能力較差。從晶格分類(lèi)方面分析，體心立方和面心立方晶格的金屬同樣有12個(gè)滑移系，似乎應(yīng)具有同樣好的塑性，但事實(shí)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(jīng)研究證明，對(duì)于金屬塑性變形的能力來(lái)說(shuō)，滑移方向的作用大于滑移面的作用。體心立方晶格中每個(gè)晶胞滑移面上的滑移方向僅有兩個(gè)，而面心立方晶格中每個(gè)晶胞滑移面上卻有3個(gè)滑移方向，因而后者的塑性變形能力更好。

1.2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天、國(guó)防軍工、冶金、醫(yī)療、光學(xué)、機(jī)械電子、化工等領(lǐng)域。目前，氧化鋁陶瓷已成為材料科學(xué)領(lǐng)域最為活躍的研究領(lǐng)域之一。它是成本低、發(fā)展比較早、應(yīng)用最廣的一種陶瓷材料。但它同大多數(shù)陶瓷材料一樣，存在著抗熱震性差和斷裂韌性低的缺點(diǎn)，限制了氧化鋁陶瓷在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

莫來(lái)石纖維是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)高溫耐火材料，是Al2O3-SiO2中的一種，使用溫度一般在1500-1600℃，外觀(guān)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(fù)合制成高強(qiáng)度、質(zhì)量輕的元件;電氣絕緣、電波透過(guò)性能好，表面活性好，在高溫下具有極佳的耐化學(xué)腐蝕和抗氧化性，耐高溫，用它制備的導(dǎo)彈殼體，則有可能不開(kāi)天線(xiàn)窗，將天線(xiàn)裝在彈內(nèi)。

2 制備工藝

2.1 ZrO2增韌Al2O3陶瓷的制備工藝過(guò)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(jìn)行預(yù)燒，時(shí)γ-Al2O3全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?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(shí)間為5min。將模壓好的坯體進(jìn)行真空封裝，然后進(jìn)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(jié)[2]：用微波燒結(jié)爐將樣品從室溫開(kāi)始以10℃/min升溫至最高點(diǎn)溫度1500℃，之后以10℃/min降溫至1300℃，經(jīng)過(guò)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(cè)試

2.2 注意事項(xiàng)

1.制備Al2O3粉末時(shí)：

（1）原料應(yīng)易于獲得，價(jià)格低廉，可降低生產(chǎn)成本。（2）顆粒越小越好，最好能夠達(dá)到納米級(jí)別。（3）高純度的原料對(duì)陶瓷性能更有利。

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

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

3.制備ZrO2（Y2O3）-α-Al2O3粉末時(shí)不同組分間應(yīng)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(chǎn)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(jié)時(shí)的溫度、時(shí)間、氣氛、壓力、升降溫速度以及保溫時(shí)間等都對(duì)韌性氧化鋁陶瓷產(chǎn)生影響。

（1）燒結(jié)時(shí)應(yīng)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(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，節(jié)約成本;

（2）氧的氣壓越低越有利于燒結(jié)，在氬氣和空氣中燒結(jié)最好;

（3）升溫速率過(guò)快易造成變形和開(kāi)裂，按照氣孔收縮的情況來(lái)控制升溫速率，不會(huì)使早期致密化的速率過(guò)大，也不會(huì)過(guò)早地封閉氣孔，使氣孔不能完全排除，也可防止粗晶的出現(xiàn);

（4）合適的保溫時(shí)間可以進(jìn)一步改善粉體的致密程度，根據(jù)四大燒結(jié)機(jī)理，保溫可使粉體傳質(zhì)更加均勻，有利于氣孔排出。

7.微波燒結(jié)內(nèi)外同時(shí)加熱，可活化分子，燒結(jié)成本低，但是燒的更細(xì)更均勻，提高韌性氧化鋁的性能。

8.燒結(jié)時(shí)可加入添加劑降低燒成溫度，促進(jìn)燒結(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1]邢國(guó)紅.金屬Ni增韌MF/AlO復(fù)合陶瓷材料研究[D].濟(jì)南大學(xué)，2010.

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

（作者單位：東北大學(xué)秦皇島分校）