在超(chao)過2000℃熔點的氧(yang)化物中，氧化鋁陶(tao)瓷是最(zui)靈(ling)活和(he)廉價的材料。氧(yang)化鋁陶瓷是一(yi)種以氧化鋁(lü)（氧化鋁）爲主(zhu)體的(de)陶瓷(ci)材(cai)料。氧化(hua)鋁陶瓷機(ji)械強(qiang)度高、硬度大、高(gao)頻介電損(sun)耗小(xiao)，又因(yin)爲它的原料來源(yuan)廣(guang)、價格相對便宜、加工(gong)技術(shu)較爲(wei)成熟，因此(ci)，它被廣泛地應用于(yu)電子(zi)、電器、機械、紡織(zhi)和航空航(hang)天等領(ling)域。這也奠定(ding)了它在陶(tao)瓷材(cai)料領(ling)域的(de)地位(wei)。據悉，氧(yang)化(hua)鋁陶瓷是(shi)目前(qian)世界上用量最(zui)大的(de)氧化物(wu)陶(tao)瓷材(cai)料。

氧化鋁(lü)陶瓷(ci)材料的結(jie)構屬(shu)于剛玉(yu)型，其本身具(ju)有離子鍵(jian)的特性，使得滑移系(xi)統遠沒有(you)金屬那(na)麽多，這(zhe)導緻其缺乏一(yi)定(ding)的韌性、塑性。所以表現出的(de)斷裂韌性(xing)較低(di)，這大(da)大地限制(zhi)了氧化鋁陶瓷的廣泛應用。那(na)麽氧化鋁陶瓷的主要增韌方(fang)法有哪些？

一、層狀結(jie)構增韌

天(tian)然材料(liao)如(ru)竹子(zi)、貝殼等，綜合(he)性(xing)能很好，是(shi)因其(qi)結構(gou)呈(cheng)層狀分(fen)布。人(ren)們從(cong)這些天(tian)然結構得到(dao)啓示，采用仿(pang)生(sheng)結構來改善陶(tao)瓷材料(liao)的脆性(xing)，提高其韌性。層狀(zhuang)複(fu)合陶瓷材(cai)料是由多層材(cai)料組成(cheng)。各層的(de)彈性(xing)模(mo)量、線脹(zhang)系數不(bu)同，進而導緻層間産生(sheng)宏觀應力(li)，在表面産(chan)生壓應力(li)。受到外(wai)力作用時，能最(zui)大限度(du)地吸收應(ying)變能(neng)，并且(qie)使裂紋沿(yan)界面産生(sheng)反複(fu)偏轉、拐折。以此達到提高(gao)表面(mian)性能(neng)和(he)整體韌(ren)性的目的(de)。

例如：氧化鋁/ni層狀陶(tao)瓷，利用(yong)鎳的線脹系數約爲氧(yang)化(hua)鋁的)倍，在氧化鋁(lü)層産生應壓力(li)，裂(lie)紋(wen)偏轉能力大，所以該材料有較(jiao)好的韌性(xing)。層(ceng)狀陶瓷(ci)是一新型(xing)材料(liao)，前景廣闊，但其(qi)缺點主(zhu)要是弱(ruo)夾層會降低材(cai)料強度，平(ping)行和(he)垂直(zhi)于(yu)夾層方(fang)向的性質(zhi)差别較大(da)，呈各(ge)向異(yi)性。所以業内專(zhuan)家(jia)提出(chu)了(le)采用(yong)強夾層的(de)思路(lu)，制備(bei)出了zta/ 氧化(hua)鋁強夾層，沖擊韌性(xing)達10 mpa.m1/2以上，是zta材(cai)料的2.8倍(bei)，氧化(hua)鋁陶(tao)瓷的5.6倍。一些科(ke)學家通過計算機(ji)對層狀(zhuang)複合陶(tao)瓷進行了(le)模(mo)拟，發現如(ru)果軟層材(cai)料的強度(du)太(tai)高、太低(di)都會降(jiang)低(di)整體韌性(xing)，而(er)提高硬(ying)、軟(ruan)層層(ceng)厚和彈(dan)性模(mo)量之比，硬(ying)層均勻性(xing)均可(ke)提高(gao)陶瓷韌性(xing)。這爲層(ceng)狀(zhuang)增韌(ren)陶瓷(ci)提供了一(yi)定的研(yan)究(jiu)思路(lu)和優化途徑。

二、纖維複(fu)合增韌(ren)

研究(jiu)表(biao)明，連續(xu)纖維對(dui)陶瓷的(de)增韌效率較其(qi)他增韌(ren)方法大(da)，是迄(qi)今爲止陶(tao)瓷系列(lie)所(suo)能達到(dao)的(de)最高(gao)韌性(xing)，可以達20mpa.m1/2左(zuo)右，因(yin)此是(shi)改善陶瓷(ci)材料脆性非常(chang)有效(xiao)的途徑。該(gai)方法(fa)把強度、彈(dan)性模量(liang)較(jiao)高(gao)的(de)纖維分(fen)散(san)在陶(tao)瓷基(ji)體(ti)中。複合(he)材料在外力作(zuo)用下(xia)，一部分載(zai)荷由(you)纖(xian)維承擔(dan)，以此來減輕基(ji)體本身的負荷(he)。而且，基(ji)體(ti)中的纖維在承(cheng)受力(li)大于其(qi)強度發(fa)生斷裂(lie)時(shi)，纖維産生(sheng)拔出機制(zhi)。此外，這(zhe)些纖維(wei)在基(ji)體中(zhong)也存(cun)在裂(lie)紋橋(qiao)聯、偏轉來阻止裂紋(wen)的擴(kuo)展(zhan)。這(zhe)3種增(zeng)韌機制共同作(zuo)用(yong)使陶瓷(ci)材料的韌(ren)性提高很(hen)多。

目前，用于氧化鋁陶(tao)瓷的纖(xian)維主要(yao)由碳纖(xian)維、碳(tan)化(hua)矽纖維(wei)、矽酸鋁纖維等多種(zhong)。研究發現(xian)，提高纖(xian)維的長(zhang)徑比可提高增(zeng)韌效果。在(zai)纖維的使用形式上(shang)，采用纖維(wei)，的三(san)維編織物增韌(ren)效果(guo)較好。與纖維類(lei)似，目前采(cai)用晶須(xu)增韌(ren)氧(yang)化鋁瓷的也較(jiao)多，效果也(ye)很好。因晶(jing)須是以單晶(jing)結構生長、直(zhi)徑極(ji)小（通常小(xiao)于3 um）的(de)短纖(xian)維。其晶體缺(que)陷少，原(yuan)子排列高度有(you)序，強度(du)接近相(xiang)鄰原子間(jian)成鍵(jian)力的理論值。理論和實踐證明(ming)，把它(ta)應用于陶(tao)瓷的(de)增韌(ren)，對提(ti)高韌(ren)性有一定作用。如把(ba)碳化(hua)矽晶須(xu)（體積分(fen)數可達20%——30%）引入氧(yang)化鋁基陶(tao)瓷中(zhong)，段韌(ren)性可達8——8.5 mpa.m1/2。

晶須增韌的機制(zhi)除了拔出(chu)、裂紋偏轉(zhuan)、裂(lie)紋橋聯(lian)、釘(ding)紮(zha)等機制外(wai)，自身強(qiang)度高也(ye)是一個(ge)原(yuan)因。因(yin)此在理(li)論上，提(ti)高晶(jing)須(xu)強度、降(jiang)低(di)其(qi)彈性模量(liang)，提高長徑比能(neng)提高增韌效果(guo)。纖維、晶須增韌氧化鋁瓷的缺(que)點就是(shi)混合均(jun)勻性很難保(bao)證。

三、自增(zeng)韌(ren)

所謂(wei)自增韌，就是在(zai)一定的工(gong)藝條(tiao)件下，生長出增(zeng)韌、增強相。它在(zai)一定程度上消(xiao)除了(le)基(ji)體(ti)相與(yu)增韌(ren)相在物理(li)或(huo)化學上(shang)的不(bu)相容性(xing)，而保(bao)證(zheng)了基體相與增韌相的熱力學(xue)穩定(ding)性。對于氧(yang)化鋁(lü)陶瓷而言(yan)，異向生長(zhang)晶粒(li)增韌(ren)氧化(hua)鋁成(cheng)爲克服(fu)氧(yang)化鋁(lü)陶瓷(ci)脆性的研(yan)究熱點。其主要機理(li)是通過(guo)工(gong)藝措施，控(kong)制氧化鋁晶(jing)粒的生(sheng)長方向，使其沿某些晶面優勢(shi)生長成棒狀、長(zhang)柱狀，起到類似(si)晶須的增(zeng)韌作用。在(zai)受到外來(lai)載荷時，裂紋尾(wei)部産(chan)生橋聯方式；而且這(zhe)些異向生長(zhang)的氧化鋁也會産生拔出、裂(lie)紋偏轉等(deng)增韌機制，而(er)使整個氧(yang)化鋁陶(tao)瓷的韌(ren)性得到(dao)提高(gao)。

四、相變增(zeng)韌(ren)

這是研究比(bi)較早(zao)而且普遍(bian)的一(yi)種增(zeng)韌方。它是人爲地在(zai)材料中(zhong)造(zao)成大(da)量的(de)極細裂紋(wen)，以吸收能(neng)量、阻(zu)止裂紋擴展。其(qi)中主要集(ji)中在zro2的的(de)馬氏體相(xiang)變研究上(shang)，比較(jiao)成功的有zta,ztm等陶(tao)瓷材料(liao)。zro2彌(mi)散在氧化鋁基(ji)體中(zhong)，由于(yu)二者的線脹系(xi)數(shu)不同，冷(leng)卻時，zro2顆粒受到(dao)壓應(ying)力，相變受(shou)阻。而(er)後，在材料受到(dao)外力作用(yong)時，zro2顆粒上的壓(ya)力得到松弛，四(si)方相轉變(bian)爲單(dan)斜相(xiang)，體積(ji)膨脹(zhang)後在基體中産生(sheng)微(wei)裂紋(wen)，而吸(xi)收主(zhu)裂(lie)紋的能(neng)量，達到增(zeng)韌效果。這就是應力(li)誘導(dao)相變增韌(ren)機(ji)制。

在增(zeng)韌機(ji)理中(zhong)，除了zro2的誘(you)導相(xiang)變機(ji)制外，相變(bian)産生體積膨脹，在(zai)裂紋區(qu)域向不發生相(xiang)變區擠壓(ya)現象(xiang)，使裂紋(wen)呈閉合趨勢，擴(kuo)展困難，也可以提高韌(ren)性。部分研究人員用體積(ji)分數(shu)爲10%——30%的zro2制備(bei)zta陶瓷(ci)時發現，zro2用量在(zai)體積(ji)分(fen)數爲20%時增韌(ren)效果(guo)最好(hao)。

陶瓷增韌技術(shu)在未(wei)來(lai)的很長(zhang)一段時間(jian)都将(jiang)是材(cai)料界的熱(re)點技術。陶瓷材(cai)料固有(you)的高強(qiang)度、耐高溫(wen)、低膨(peng)脹系(xi)數等特性(xing)如果能夠再結合(he)高韌(ren)性，那将(jiang)是材料界夢寐(mei)以求(qiu)的(de)高性能(neng)材料，運(yun)用(yong)領域(yu)極爲廣泛。下面(mian)簡單介紹(shao)一下氧化(hua)鋁陶瓷的(de)一些應(ying)用吧。

（一）機械(xie)方面

氧化(hua)鋁陶(tao)瓷燒結産(chan)品的抗(kang)彎強度(du)可達250mpa，熱壓産品可達(da)500mpa。氧(yang)化(hua)鋁陶(tao)瓷的莫氏(shi)硬度(du)可達(da)到9，加(jia)上具(ju)有優(you)良的抗磨(mo)損性(xing)能等(deng)，所(suo)以廣泛地(di)用(yong)于制造刀具、球(qiu)閥、磨(mo)輪、陶(tao)瓷釘、軸承(cheng)等，其中以(yi)氧化(hua)鋁陶瓷刀(dao)具和(he)工業用閥應用最廣(guang)。

氧(yang)化(hua)鋁陶瓷刀(dao)具

氧(yang)化鋁(lü)陶(tao)瓷(ci)刀具(ju)的最(zui)佳切削(xue)速度(du)比一般的硬質合(he)金刀具(ju)高(gao)，可大(da)幅提高對不同(tong)材料(liao)的(de)切削效(xiao)率。随着科(ke)學工(gong)作者(zhe)的大量研(yan)究，添加其它成分構成兩相或(huo)以固溶體(ti)形式(shi)存在(zai)于(yu)基體之(zhi)中的氧化(hua)鋁基複合陶(tao)瓷和晶(jing)須增(zeng)強陶瓷中(zhong)。這些技術彌補(bu)了純氧化鋁陶(tao)瓷的不足(zu)，從而(er)提高了它(ta)的切(qie)削性(xing)能和耐用(yong)度。

（二(er)）電子(zi)/電力方面

在電子、電力方面(mian)，有各種(zhong)氧化鋁陶瓷底(di)闆、基片、陶(tao)瓷膜、透明陶(tao)瓷以及(ji)各種氧化鋁陶(tao)瓷電絕緣(yuan)瓷件、電子材料(liao)、磁性(xing)材料等，其中以(yi)氧化鋁透(tou)明陶(tao)瓷和基(ji)片應(ying)用(yong)最廣。

氧化(hua)鋁透明陶(tao)瓷(ci)

當前透明陶瓷是材料領域研究和應(ying)用的重要(yao)前沿方向。透明陶瓷(ci)作爲一種(zhong)新型(xing)材料(liao)，除了(le)本身(shen)具有(you)寬範圍的(de)透光性外，還具(ju)有高(gao)熱(re)導率、低(di)電導(dao)率(lü)、高硬度(du)、高強(qiang)度、低(di)介電(dian)常數和介電損(sun)耗、耐磨性和(he)耐腐蝕(shi)性好(hao)等一(yi)系列優點。

氧化鋁陶(tao)瓷基片

氧(yang)化鋁(lü)陶瓷(ci)基片(pian)具有機械(xie)強度高、絕緣性(xing)好、避(bi)光性高等優良(liang)性能(neng)，廣(guang)泛(fan)用于(yu)多層布線陶瓷(ci)基片、電子封裝及高密(mi)度封裝(zhuang)基片。

（三(san)）化工方面

在(zai)化工應用(yong)方面(mian)，氧化鋁陶瓷也有較廣泛(fan)的用途，如(ru)氧化(hua)鋁陶瓷化(hua)工填(tian)料球(qiu)、無(wu)機(ji)微濾(lü)膜、耐(nai)腐蝕塗層(ceng)等，其中以(yi)氧化鋁陶瓷膜和塗(tu)層的研究和應(ying)用最(zui)多。

（四）醫學方面

在醫學方(fang)面，氧化鋁更(geng)多的是用于制造(zao)人工(gong)骨(gu)、人工關節、人工牙齒等。氧化鋁陶瓷具(ju)有優良的生物(wu)相容性、生物惰(duo)性、理化穩定性(xing)及高(gao)硬度、高耐(nai)磨性(xing)，是(shi)制(zhi)備人造骨和人造關(guan)節的理想(xiang)材料。但它具有(you)和其他陶瓷材(cai)料一樣的(de)缺點如脆(cui)性大(da)、斷裂韌(ren)性低、機(ji)加工技術(shu)難度高、工(gong)藝複(fu)雜等(deng)，因此需要(yao)進一步研究應(ying)用。

（五(wu)）建(jian)築(zhu)/衛(wei)生/陶瓷方面

在建(jian)築衛生陶瓷方(fang)面，産(chan)品(pin)随(sui)處可(ke)見，如氧化(hua)鋁陶(tao)瓷襯磚、研磨介(jie)質、輥(gun)棒、陶瓷保(bao)護管以及氧化(hua)鋁質耐火(huo)材料(liao)等。其中(zhong)以氧化(hua)鋁球磨介質應用最廣。

材(cai)料科(ke)學的(de)魅(mei)力就在(zai)于取(qu)長(zhang)補短，造就(jiu)理(li)想(xiang)材料。氧(yang)化鋁(lü)陶瓷(ci)除(chu)了(le)以上應用(yong)外，還廣泛應用(yong)于其(qi)它一(yi)些(xie)高科技領域，如航空航(hang)天、高(gao)溫(wen)工業爐(lu)、複合(he)增(zeng)強等領(ling)域。在增(zeng)韌技術(shu)的不(bu)斷(duan)發展中(zhong)，氧化鋁陶瓷材(cai)料必将具備更(geng)加優良的(de)性能(neng)，應用領域将更(geng)加廣(guang)泛。