在超過2000℃熔點(diǎn)的氧化物中，氧化鋁陶瓷是最靈活和廉價(jià)的材料。氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁（氧化鋁）為主體的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、高頻介電損耗小，又因?yàn)樗脑蟻碓磸V、價(jià)格相對(duì)便宜、加工技術(shù)較為成熟，因此，它被廣泛地應(yīng)用于電子、電器、機(jī)械、紡織和航空航天等領(lǐng)域。這也奠定了它在陶瓷材料領(lǐng)域的地位。據(jù)悉，氧化鋁陶瓷是目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。

氧化鋁陶瓷材料的結(jié)構(gòu)屬于剛玉型，其本身具有離子鍵的特性，使得滑移系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有金屬那么多，這導(dǎo)致其缺乏一定的韌性、塑性。所以表現(xiàn)出的斷裂韌性較低，這大大地限制了氧化鋁陶瓷的廣泛應(yīng)用。那么氧化鋁陶瓷的主要增韌方法有哪些？

一、層狀結(jié)構(gòu)增韌

天然材料如竹子、貝殼等，綜合性能很好，是因其結(jié)構(gòu)呈層狀分布。人們從這些天然結(jié)構(gòu)得到啟示，采用仿生結(jié)構(gòu)來改善陶瓷材料的脆性，提高其韌性。層狀復(fù)合陶瓷材料是由多層材料組成。各層的彈性模量、線脹系數(shù)不同，進(jìn)而導(dǎo)致層間產(chǎn)生宏觀應(yīng)力，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。受到外力作用時(shí)，能最大限度地吸收應(yīng)變能，并且使裂紋沿界面產(chǎn)生反復(fù)偏轉(zhuǎn)、拐折。以此達(dá)到提高表面性能和整體韌性的目的。

例如：氧化鋁/Ni層狀陶瓷，利用鎳的線脹系數(shù)約為氧化鋁的)倍，在氧化鋁層產(chǎn)生應(yīng)壓力，裂紋偏轉(zhuǎn)能力大，所以該材料有較好的韌性。層狀陶瓷是一新型材料，前景廣闊，但其缺點(diǎn)主要是弱夾層會(huì)降低材料強(qiáng)度，平行和垂直于夾層方向的性質(zhì)差別較大，呈各向異性。所以業(yè)內(nèi)專家提出了采用強(qiáng)夾層的思路，制備出了ZTA/ 氧化鋁強(qiáng)夾層，沖擊韌性達(dá)10 Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，氧化鋁陶瓷的5.6倍。一些科學(xué)家通過計(jì)算機(jī)對(duì)層狀復(fù)合陶瓷進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)如果軟層材料的強(qiáng)度太高、太低都會(huì)降低整體韌性，而提高硬、軟層層厚和彈性模量之比，硬層均勻性均可提高陶瓷韌性。這為層狀增韌陶瓷提供了一定的研究思路和優(yōu)化途徑。

二、纖維復(fù)合增韌

研究表明，連續(xù)纖維對(duì)陶瓷的增韌效率較其他增韌方法大，是迄今為止陶瓷系列所能達(dá)到的最高韌性，可以達(dá)20Mpa.m1/2左右，因此是改善陶瓷材料脆性非常有效的途徑。該方法把強(qiáng)度、彈性模量較高的纖維分散在陶瓷基體中。復(fù)合材料在外力作用下，一部分載荷由纖維承擔(dān)，以此來減輕基體本身的負(fù)荷。而且，基體中的纖維在承受力大于其強(qiáng)度發(fā)生斷裂時(shí)，纖維產(chǎn)生拔出機(jī)制。此外，這些纖維在基體中也存在裂紋橋聯(lián)、偏轉(zhuǎn)來阻止裂紋的擴(kuò)展。這3種增韌機(jī)制共同作用使陶瓷材料的韌性提高很多。

目前，用于氧化鋁陶瓷的纖維主要由碳纖維、碳化硅纖維、硅酸鋁纖維等多種。研究發(fā)現(xiàn)，提高纖維的長(zhǎng)徑比可提高增韌效果。在纖維的使用形式上，采用纖維，的三維編織物增韌效果較好。與纖維類似，目前采用晶須增韌氧化鋁瓷的也較多，效果也很好。因晶須是以單晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)、直徑極?。ㄍǔＰ∮? um）的短纖維。其晶體缺陷少，原子排列高度有序，強(qiáng)度接近相鄰原子間成鍵力的理論值。理論和實(shí)踐證明，把它應(yīng)用于陶瓷的增韌，對(duì)提高韌性有一定作用。如把碳化硅晶須（體積分?jǐn)?shù)可達(dá)20%——30%）引入氧化鋁基陶瓷中，段韌性可達(dá)8——8.5 Mpa.m1/2。

晶須增韌的機(jī)制除了拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋聯(lián)、釘扎等機(jī)制外，自身強(qiáng)度高也是一個(gè)原因。因此在理論上，提高晶須強(qiáng)度、降低其彈性模量，提高長(zhǎng)徑比能提高增韌效果。纖維、晶須增韌氧化鋁瓷的缺點(diǎn)就是混合均勻性很難保證。

三、自增韌

所謂自增韌，就是在一定的工藝條件下，生長(zhǎng)出增韌、增強(qiáng)相。它在一定程度上消除了基體相與增韌相在物理或化學(xué)上的不相容性，而保證了基體相與增韌相的熱力學(xué)穩(wěn)定性。對(duì)于氧化鋁陶瓷而言，異向生長(zhǎng)晶粒增韌氧化鋁成為克服氧化鋁陶瓷脆性的研究熱點(diǎn)。其主要機(jī)理是通過工藝措施，控制氧化鋁晶粒的生長(zhǎng)方向，使其沿某些晶面優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)成棒狀、長(zhǎng)柱狀，起到類似晶須的增韌作用。在受到外來載荷時(shí)，裂紋尾部產(chǎn)生橋聯(lián)方式；而且這些異向生長(zhǎng)的氧化鋁也會(huì)產(chǎn)生拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機(jī)制，而使整個(gè)氧化鋁陶瓷的韌性得到提高。

四、相變?cè)鲰g

這是研究比較早而且普遍的一種增韌方。它是人為地在材料中造成大量的極細(xì)裂紋，以吸收能量、阻止裂紋擴(kuò)展。其中主要集中在ZrO2的的馬氏體相變研究上，比較成功的有ZTA,ZTM等陶瓷材料。ZrO2彌散在氧化鋁基體中，由于二者的線脹系數(shù)不同，冷卻時(shí)，ZrO2顆粒受到壓應(yīng)力，相變受阻。而后，在材料受到外力作用時(shí)，ZrO2顆粒上的壓力得到松弛，四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，體積膨脹后在基體中產(chǎn)生微裂紋，而吸收主裂紋的能量，達(dá)到增韌效果。這就是應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g機(jī)制。

在增韌機(jī)理中，除了ZrO2的誘導(dǎo)相變機(jī)制外，相變產(chǎn)生體積膨脹，在裂紋區(qū)域向不發(fā)生相變區(qū)擠壓現(xiàn)象，使裂紋呈閉合趨勢(shì)，擴(kuò)展困難，也可以提高韌性。部分研究人員用體積分?jǐn)?shù)為10%——30%的ZrO2制備ZTA陶瓷時(shí)發(fā)現(xiàn)，ZrO2用量在體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)增韌效果最好。

陶瓷增韌技術(shù)在未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間都將是材料界的熱點(diǎn)技術(shù)。陶瓷材料固有的高強(qiáng)度、耐高溫、低膨脹系數(shù)等特性如果能夠再結(jié)合高韌性，那將是材料界夢(mèng)寐以求的高性能材料，運(yùn)用領(lǐng)域極為廣泛。下面簡(jiǎn)單介紹一下氧化鋁陶瓷的一些應(yīng)用吧。

（一）機(jī)械方面

氧化鋁陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度可達(dá)250MPa，熱壓產(chǎn)品可達(dá)500MPa。氧化鋁陶瓷的莫氏硬度可達(dá)到9，加上具有優(yōu)良的抗磨損性能等，所以廣泛地用于制造刀具、球閥、磨輪、陶瓷釘、軸承等，其中以氧化鋁陶瓷刀具和工業(yè)用閥應(yīng)用最廣。

氧化鋁陶瓷刀具

氧化鋁陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬質(zhì)合金刀具高，可大幅提高對(duì)不同材料的切削效率。隨著科學(xué)工作者的大量研究，添加其它成分構(gòu)成兩相或以固溶體形式存在于基體之中的氧化鋁基復(fù)合陶瓷和晶須增強(qiáng)陶瓷中。這些技術(shù)彌補(bǔ)了純氧化鋁陶瓷的不足，從而提高了它的切削性能和耐用度。

（二）電子/電力方面

在電子、電力方面，有各種氧化鋁陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各種氧化鋁陶瓷電絕緣瓷件、電子材料、磁性材料等，其中以氧化鋁透明陶瓷和基片應(yīng)用最廣。

氧化鋁透明陶瓷

當(dāng)前透明陶瓷是材料領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要前沿方向。透明陶瓷作為一種新型材料，除了本身具有寬范圍的透光性外，還具有高熱導(dǎo)率、低電導(dǎo)率、高硬度、高強(qiáng)度、低介電常數(shù)和介電損耗、耐磨性和耐腐蝕性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。

氧化鋁陶瓷基片

氧化鋁陶瓷基片具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、避光性高等優(yōu)良性能，廣泛用于多層布線陶瓷基片、電子封裝及高密度封裝基片。

（三）化工方面

在化工應(yīng)用方面，氧化鋁陶瓷也有較廣泛的用途，如氧化鋁陶瓷化工填料球、無機(jī)微濾膜、耐腐蝕涂層等，其中以氧化鋁陶瓷膜和涂層的研究和應(yīng)用最多。

（四）醫(yī)學(xué)方面

在醫(yī)學(xué)方面，氧化鋁更多的是用于制造人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工牙齒等。氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的生物相容性、生物惰性、理化穩(wěn)定性及高硬度、高耐磨性，是制備人造骨和人造關(guān)節(jié)的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一樣的缺點(diǎn)如脆性大、斷裂韌性低、機(jī)加工技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜等，因此需要進(jìn)一步研究應(yīng)用。

（五）建筑/衛(wèi)生/陶瓷方面

在建筑衛(wèi)生陶瓷方面，產(chǎn)品隨處可見，如氧化鋁陶瓷襯磚、研磨介質(zhì)、輥棒、陶瓷保護(hù)管以及氧化鋁質(zhì)耐火材料等。其中以氧化鋁球磨介質(zhì)應(yīng)用最廣。

材料科學(xué)的魅力就在于取長(zhǎng)補(bǔ)短，造就理想材料。氧化鋁陶瓷除了以上應(yīng)用外，還廣泛應(yīng)用于其它一些高科技領(lǐng)域，如航空航天、高溫工業(yè)爐、復(fù)合增強(qiáng)等領(lǐng)域。在增韌技術(shù)的不斷發(fā)展中，氧化鋁陶瓷材料必將具備更加優(yōu)良的性能，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。