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氧化铝基陶瓷具有熔点高、强(qiang)度大、耐(nai)磨损、耐(nai)腐蚀等性能(neng)，被广泛应用于(yu)冶金、机械、航空(kong)、航天等领(ling)域，但Al₂O₃陶(tao)瓷的抗(kang)热震性(xing)较差，材料经300℃温差单次热震后的强度保持率仅约为22%，因而限(xian)制(zhi)了(le)其应(ying)用(yong)领域(yu)，在(zai)实际应(ying)用(yong)中Al₂O₃陶瓷材料的抗热(re)震性能起着决定(ding)性作用。小编结合(he)目(mu)前国内研究者文献报道，简述提(ti)高(gao)Al₂O₃陶瓷的抗热震性能的方法(fa)。

一、Al₂O₃陶瓷抗热震性能影响因素

Al₂O₃陶瓷抗热震性能影响因素主要有微(wei)观结构特征、陶瓷的表面(mian)状(zhuang)况和几何尺寸。

1.Al₂O₃陶瓷微观结构的影响

Al₂O₃陶瓷(ci)的微(wei)观结(jie)构特征，如晶粒尺(chi)寸(cun)、微(wei)裂纹、气(qi)孔(kong)率和(he)气(qi)孔(kong)分布等，都会对(dui)其抗热震性能产生重要影(ying)响。以(yi)晶粒尺(chi)寸(cun)为例，对(dui)于致(zhi)密度(du)高的Al₂O₃陶瓷而言，在(zai)小(xiao)晶粒范(fan)围内细晶粒的Al₂O₃陶(tao)瓷(ci)具有较(jiao)好的抗热震性能(neng)；在大晶粒范围内粗(cu)晶粒的Al₂O₃陶瓷具有较好的抗热(re)震性能。目前研究者认为：目前研(yan)究者认为：10μm为Al2O3粗细晶粒的界线。

图1 热压烧结Al₂O₃陶瓷细晶粒(li)尺寸的(de)微观结(jie)构SEM图片

此外，氧(yang)化铝陶瓷(ci)(ci)中气(qi)孔(kong)非均匀分布对陶瓷(ci)(ci)强度和杨氏模量(liang)的(de)降低程度大于陶瓷(ci)(ci)中气(qi)孔(kong)均匀分布造成的(de)影响。而陶瓷(ci)(ci)自(zi)身存在的(de)微(wei)裂纹在热震(zhen)环境中亦非总(zong)是立即导致材料断(duan)裂，这往往也(ye)是由(you)热震(zhen)裂纹核(he)受到(dao)气(qi)孔(kong)抑制引起的(de)。适量(liang)微(wei)裂纹的(de)存在可通(tong)过微(wei)裂纹增韧机(ji)制提(ti)高(gao)陶瓷(ci)(ci)的(de)韧性(xing)，进(jin)而提(ti)高(gao)Al₂O₃陶(tao)瓷的(de)抗热震性(xing)。

2.表面状(zhuang)况的影响

Al₂O₃陶瓷在使用(yong)前通(tong)常需要采用(yong)一些机械加工方法处理表面，如磨削(xue)、抛光、铣削(xue)等，导致表面粗糙度发(fa)生变化。Al₂O₃陶(tao)瓷表面分(fen)别经磨削(xue)(xue)和抛光处理(li)后(hou)的抗热震性(xing)能，结(jie)果发现表面经磨削(xue)(xue)处理(li)后(hou)的Al₂O₃陶瓷具(ju)有更佳的抗热震性，经磨削(xue)和抛光(guang)处(chu)理后Al₂O₃陶瓷(ci)的临(lin)界热震温(wen)差分别为235℃和185℃。这是由于磨削表面上较高的初始缺陷密度允许热冲击产生的弹性能分布在更多的裂纹上，每个裂纹的延伸量相对较小。

3.几何尺寸的影响

Al₂O₃陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)抗热震性还受(shou)到陶(tao)瓷(ci)(ci)几何尺寸的(de)影响(xiang)。通常降低陶(tao)瓷(ci)(ci)厚度可(ke)以提高陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)临界热震温(wen)差，这主要是由(you)于弯(wan)曲应力产生内(nei)部(bu)弯(wan)曲冲量所致。

例(li)如：采用不(bu)同测(ce)试方法(fa)测(ce)试不(bu)同厚度Al₂O₃陶(tao)瓷的抗(kang)热(re)震性，利用氢氧火焰加热(re)陶(tao)瓷一个表面(mian)，同时(shi)将另一表面(mian)放入淬火介质中冷却，结果(guo)发现当(dang)陶(tao)瓷厚度从2mm增加到6mm时，陶瓷失效温度由342℃升高到700℃，即陶瓷越厚，抗热震性越好。从陶瓷厚度对抗热震性能的影响角度来看，整体拉伸应力随着陶瓷厚度的增加而降低，陶瓷厚度的增加要求更高的热震温差以防引发失效。

图(tu)2 不同(tong)几何尺寸(cun)氧化铝陶瓷

二、提高Al₂O₃陶瓷的抗热震性能的措施

1、第二相法提高Al₂O₃陶(tao)瓷抗热震性

为了(le)提高Al₂O₃陶瓷的抗热震性能，在Al₂O₃陶瓷基体中(zhong)引(yin)入(ru)适当、适量的第(di)二(er)(er)相(xiang)是(shi)一种有效方法，引(yin)入(ru)的第(di)二(er)(er)相(xiang)既可(ke)以是(shi)非(fei)金属(shu)材料，又可(ke)以为金属(shu)材料，引(yin)入(ru)形式(shi)既可(ke)是(shi)颗粒，也可(ke)是(shi)晶须、纤(xian)维或溶胶。

（1）引入ZrO₂

ZrO₂添(tian)加到Al₂O₃陶瓷中，可(ke)以提高陶瓷的抗热(re)震性(xing)、抗弯强度和断裂韧性(xing)。第二相(xiang)颗(ke)粒弥散强化、四方ZrO₂应力诱(you)导(dao)相变(bian)增韧和微裂纹增韧是提高Al₂O₃陶(tao)瓷力学性(xing)能的主要(yao)机(ji)理。

图3 不同ZrO₂添(tian)加量(liang)下Al₂O₃抗热震(zhen)陶瓷的SEM图片

添加不同含(han)量ZrO₂后Al₂O₃陶瓷的抗热震性能，如下表所示。

（2）引入稀土化合物

稀(xi)土化合(he)物常常作(zuo)为添加剂应用在Al₂O₃陶(tao)瓷中，应用(yong)最多的是稀土(tu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)，其(qi)次为(wei)稀土(tu)卤化(hua)(hua)物(wu)。由于(yu)稀土(tu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)具(ju)有特(te)殊的物(wu)理和(he)化(hua)(hua)学(xue)性能(neng)，故已(yi)被用(yong)于(yu)提高Al2O3陶瓷性能方面。

以添加(jia)CeO₂为例，当添加CeO₂的质量分(fen)数为1%时，Al₂O₃陶(tao)瓷经200～600℃热震温差（水(shui)冷）后的抗(kang)热(re)震性(xing)能最佳。一方面，添加CeO₂能(neng)够增加Al₂O₃陶瓷(ci)的断裂(lie)韧性;另一方面，当CeO₂添加(jia)量(liang)为1.5%时，陶瓷的气孔率为1.16%，而当CeO₂添加量为1%时，陶瓷的气孔率为4.18%，适量的气孔率不仅可以钝化裂纹尖端、减少应力集中，而且还能起到隔热作用，从而提高了陶瓷的抗热震性。因此，添加CeO₂提(ti)高(gao)Al₂O₃陶瓷抗(kang)热震(zhen)性的原因可(ke)以归结于增韧和适当(dang)气(qi)(qi)孔的协同(tong)作(zuo)用，主要贡献者为增韧作(zuo)用，但气(qi)(qi)孔也会影响其(qi)抗(kang)热震(zhen)性。添加不(bu)同(tong)稀土化合物后Al₂O₃陶(tao)瓷的抗热(re)震性(xing)能，见下(xia)表。

2、添加低热膨胀系数(shu)组元

在Al₂O₃陶瓷中(zhong)添加堇(jin)青(qing)石、莫来石、红柱石、钛酸铝、锂霞(xia)石等具有(you)(you)较低(di)热(re)膨胀(zhang)系(xi)数或负膨胀(zhang)系(xi)数的组(zu)元，可以降低(di)陶瓷的热(re)膨胀(zhang)系(xi)数，从(cong)而有(you)(you)利于提高陶瓷的抗热(re)震性(xing)。

堇(jin)青石是一种具有(you)较低(di)热膨胀系数的矿物材(cai)料(liao)，堇(jin)青石可采用天(tian)然矿物高温(wen)固(gu)(gu)相反应(ying)(ying)法、高纯氧化物高温(wen)固(gu)(gu)相反应(ying)(ying)合成法、工业(ye)或农业(ye)废料(liao)合成法和溶胶(jiao)(jiao)凝胶(jiao)(jiao)法和低(di)温(wen)燃烧合成法等制备(bei)，被广泛应(ying)(ying)用于结构陶瓷、耐火材(cai)料(liao)、多孔材(cai)料(liao)、介(jie)电(dian)(dian)材(cai)料(liao)、红外材(cai)料(liao)和电(dian)(dian)子封装(zhuang)材(cai)料(liao)等领(ling)域。

图4 含有10%堇青石的Al₂O₃抗热震(zhen)陶瓷的SEM图片

将(jiang)堇青石添(tian)加到Al₂O₃陶(tao)瓷中，可以降低(di)材料(liao)的(de)热膨(peng)胀系数，从而提高Al₂O₃陶瓷(ci)的抗热震性能。研究(jiu)发现(xian)，Al₂O₃-堇青石陶瓷在(zai)1230～1280℃烧成温度范围内，热(re)导率随烧成温度的升高而(er)增(zeng)大，这(zhei)与陶瓷致密度随烧成温度的升高而(er)增(zeng)大有关．气(qi)体热(re)容比Al₂O₃晶体热(re)容(rong)低，且会使声(sheng)子发生散射(she)，因而随着烧成温(wen)度(du)的(de)升高(gao)(gao)，气孔减少(shao)，热(re)导率提高(gao)(gao)．Al₂O₃-堇青石(shi)陶瓷(ci)经过10次800℃热(re)震(zhen)温差(水(shui)冷)和40次600℃热(re)震(zhen)温差(水(shui)冷)测(ce)试后，陶瓷(ci)尚未开裂。

添(tian)加(jia)不同低(di)热膨胀系数组(zu)元后Al₂O₃陶瓷的抗(kang)热震性能，见(jian)下表：

3、添(tian)加高热(re)导率组(zu)元

Al₂O₃陶瓷中添加SiC、金属颗粒等具有较高热导率的组元，可提高陶瓷热导率，减小陶瓷在淬冷过程中的瞬间温度梯度，从而减小陶瓷经历热震循环后受到的热应力，有利于提高陶瓷的抗热震性。

（1）SiC

SiC热导率大于Al₂O₃，且热(re)膨胀(zhang)系数小(xiao)于Al₂O₃，因而将(jiang)SiC添加到Al₂O₃陶瓷(ci)中，理论(lun)上(shang)可以降低陶瓷(ci)的热(re)膨(peng)胀系(xi)数(shu)并提高其热(re)导率。SiC多以纳米颗粒或晶须形式加入到Al₂O₃陶瓷中。研究发现添加体积分数为5%的SiC能够显著提高陶瓷的抗热震性，Al₂O₃陶瓷的临界热震温差(cha)由70℃提高至185℃。

（2）金属

金属(shu)通常具(ju)有较高的热导率和韧性，引入到Al₂O₃陶瓷(ci)中，不仅可以通过(guo)提(ti)高陶瓷(ci)的热导率(lv)缓解热应(ying)力，还能通过(guo)多种(zhong)方(fang)式(shi)阻(zu)碍裂纹扩展，具体方(fang)式(shi)包括裂纹偏转(zhuan)、钝化、钉扎以及金属颗粒的拔(ba)出等，从(cong)而提(ti)高陶瓷(ci)的力学性能。

Mo颗粒的添(tian)加量（体积(ji)分数为10%和20%）和(he)颗粒(li)尺寸(0.56和10μm)对Al2O3陶瓷抗热震性能的影响，结果表明添加体积分数为20%且尺为10μm的Mo颗粒能够提高陶瓷的抗弯强度、断裂韧性和热导率，减小陶瓷的弹性模量、热膨胀系数和热应力强度因子，同时可以细化陶瓷晶粒。金属(shu)Mo颗粒桥接是提高Al2O3陶瓷韧性和抗热震性的主要原因。Mo颗(ke)粒的引入(ru)能够(gou)使Al₂O₃陶瓷的临界热震温(wen)差由200℃提高到450℃。

图5 含有Mo颗粒Al₂O₃陶瓷中的裂纹扩(kuo)展

4、制备多孔(kong)结构(gou)

多孔Al2O3陶瓷(ci)除了具有Al2O3陶瓷(ci)的(de)特点外，还具有开口气孔率高的(de)特性(xing)，可用作催化(hua)剂载体、过滤材料(liao)、热交换器、热绝缘体和生物(wu)医学(xue)植入物(wu)等。

研究发(fa)现随着孔隙率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)，陶(tao)瓷(ci)的(de)室温(wen)抗(kang)(kang)弯强度逐渐降低，但多孔陶(tao)瓷(ci)的(de)临界热震温(wen)差和残余抗(kang)(kang)弯强度则(ze)随着气孔率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)大。当气孔率(lv)为6%时，多孔Al₂O₃陶瓷的临界热震温差和残余(yu)抗弯强(qiang)度分别为200℃和15MPa（ΔT=700℃）；而(er)当气孔率大于43%时，多孔陶瓷的临界热震温差和残余抗弯强度分别为400℃和21MPa（ΔT=800℃）。多孔Al₂O₃-ZrO₂陶瓷(ci)抗热(re)(re)震性的提高是由于孔隙的存(cun)在能够(gou)有效(xiao)缓解(jie)热(re)(re)冲(chong)击应力，有效(xiao)阻止了微裂纹的扩展。

图(tu)6 多孔Al₂O₃陶(tao)瓷热震前后的SEM图片（左(zuo)图(tu)(tu)：热震(zhen)(zhen)前；右图(tu)(tu)：热震(zhen)(zhen)后）

 

参(can)考文献(xian)：

1、陈蓓，丁培道，程川等，Al₂O₃ + ZrO₂ 层状(zhuang)复合陶(tao)瓷的表面抗(kang)裂纹行为(wei)及抗(kang)热震性(xing)能(neng)，硅酸盐学报。

2、汪霖． 氧(yang)化铝陶(tao)瓷抗热震(zhen)性(xing)研究，中科院上海硅酸盐(yan)研究所(suo)。

3、饶平根，吴建青，叶(ye)建东等(deng)， 添加氧化锆对氧化铝陶(tao)瓷(ci)的(de)性能的(de)影(ying)响，兵(bing)器材(cai)料科学与工(gong)程。

4、谢(xie)华(hua)生，李玲，李汉锟，稀土氧化(hua)物对铸(zhu)造用纳(na)米氧化(hua)铝陶瓷化(hua)涂层显(xian)微组织及(ji)性(xing)能的影响，铸(zhu)造。

5、张巍，韩(han)亚苓，潘斌斌，堇青石的合成(cheng)工艺研究及结构特征(zheng)，陶瓷学报。

昕玥(yue)

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