氧化鋁（Al?O?）陶瓷因其高硬度、優(yōu)異的耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性及絕緣性能，在機(jī)械、電子、化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，其固有的脆性、較低的抗熱震性以及相對較高的燒結(jié)溫度等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其在很端工況下的可靠性和應(yīng)用范圍。為克服這些瓶頸，開發(fā)高性能的氧化鋁陶瓷復(fù)合材料已成為材料科學(xué)領(lǐng)域的核心研究方向之一。本文系統(tǒng)綜述了近年來氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了纖維/晶須增韌、納米復(fù)合、顆粒彌散強(qiáng)化以及功能化復(fù)合材料等體系的設(shè)計(jì)理念、制備方法、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及其對力學(xué)性能、熱學(xué)性能和功能特性的影響機(jī)制，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
單一相的氧化鋁陶瓷，其性能潛力已近乎被挖掘殆盡。通過傳統(tǒng)的純度控制和細(xì)晶化雖然能在一定程度上改善其性能，但幅度有限，且對解決根本性的脆性問題收效甚微。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念為解決這一問題提供了金鑰匙——通過引入第二相（或更多相）材料，利用相與相之間的協(xié)同效應(yīng)，能夠創(chuàng)造出單一材料所不具備的綜合優(yōu)異性能。
氧化鋁陶瓷復(fù)合化的主要目標(biāo)可歸納為：
強(qiáng)韌化：顯著提高斷裂韌性（KIC）和抗彎強(qiáng)度，克服脆性。
功能化：賦予其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、生物活性、催化等新功能。
工藝優(yōu)化：降低燒結(jié)溫度，細(xì)化晶粒，改善燒結(jié)活性。
近年來，隨著納米技術(shù)、原位合成技術(shù)、先進(jìn)燒結(jié)工藝（如放電等離子燒結(jié)SPS、閃燒等）的飛速發(fā)展，氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的研究進(jìn)入了從微觀結(jié)構(gòu)精密調(diào)控到宏觀性能按需設(shè)計(jì)的新階段。
1. 纖維/晶須增韌氧化鋁陶瓷復(fù)合材料
這是較早也是較有效的增韌手段之一，主要利用橋聯(lián)、拔出和偏轉(zhuǎn)等機(jī)制吸收裂紋擴(kuò)展能量。
碳纖維/碳納米管（CNTs）增韌Al?O?：碳材料具有很高的比強(qiáng)度和模量。引入碳纖維或CNTs可以很大提升復(fù)合材料的韌性和抗熱震性。然而，較大的挑戰(zhàn)在于：
界面相容性：碳與Al?O?在燒結(jié)氣氛（通常需惰性或還原氣氛）和化學(xué)性質(zhì)上不兼容，易形成弱界面。
分散性：CNTs很易團(tuán)聚，難以在基體中均勻分散。
研究進(jìn)展：當(dāng)前研究主要通過對CNTs進(jìn)行表面改性（如酸處理引入羧基、羥基，或通過納米級涂層包裹）來改善其與陶瓷基體的潤濕性和結(jié)合力。采用球磨+很聲的協(xié)同分散工藝也取得了良好效果。較新研究表明，添加少量釔、鎂等燒結(jié)助劑可通過形成界面過渡層優(yōu)化界面結(jié)合強(qiáng)度。
SiC晶須/纖維增韌Al?O?：SiC與Al?O?的熱膨脹系數(shù)匹配性較好，化學(xué)相容性高，可在空氣中燒結(jié)，因此應(yīng)用更為廣泛。SiCw-Al?O?復(fù)合材料是其經(jīng)典代表，斷裂韌性可比純氧化鋁提高50%-100%。當(dāng)前研究熱點(diǎn)集中于SiC納米線的原位生長，通過CVD或直接以硅源和碳源在氧化鋁表面反應(yīng)生成，可獲得分布更均勻、界面結(jié)合更強(qiáng)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增韌效果更佳。
2. 顆粒彌散強(qiáng)化氧化鋁陶瓷復(fù)合材料
通過引入微米或納米級第二相顆粒，利用裂紋偏轉(zhuǎn)、釘扎晶界、阻止晶粒長大等機(jī)制實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化。
ZrO?增韌Al?O?（ZTA）：這是較成功、較商業(yè)化的一類氧化鋁復(fù)合材料。其核心機(jī)制是相變增韌。四方相氧化鋯（t-ZrO?）在裂紋尖端應(yīng)力場作用下發(fā)生馬氏體相變，轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵╩-ZrO?），伴隨的體積膨脹效應(yīng)會對裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而抑制其擴(kuò)展。
研究進(jìn)展：當(dāng)前ZTA的研究已很越簡單的混合，走向精細(xì)調(diào)控：
納米ZTA復(fù)合材料：通過共沉淀法、溶膠-凝膠法等制備納米級ZrO?和Al?O?的復(fù)合粉體，可獲得晶粒尺寸更細(xì)小、ZrO?分布更均勻的微觀結(jié)構(gòu)，相變增韌效應(yīng)得到很致發(fā)揮。
復(fù)合穩(wěn)定劑的應(yīng)用：采用Y?O?-CeO?等復(fù)合穩(wěn)定劑替代單一的Y?O?，可以更精確地控制ZrO?相穩(wěn)定性，使其在更寬的應(yīng)力范圍內(nèi)發(fā)生相變，增韌效果更穩(wěn)定。
多相復(fù)合：在ZTA基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入第三相，如CNTs或SiC顆粒，形成“相變增韌+纖維/顆粒增韌”的協(xié)同機(jī)制，性能提升顯著。
TiC/TiN等硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)Al?O?：引入高硬度的TiC、TiN、WC等顆粒，主要目的是在保持良好韌性的同時(shí)，很大提高復(fù)合材料的硬度和耐磨性，特別適用于切削刀具、耐磨襯板等領(lǐng)域。挑戰(zhàn)在于這些碳化物、氮化物在高溫下容易與Al?O?發(fā)生反應(yīng)。通過Spark Plasma Sintering (SPS) 快速燒結(jié)技術(shù)，可以很大縮短燒結(jié)時(shí)間，抑制界面反應(yīng)，獲得致密的復(fù)合材料。
3. 納米復(fù)合陶瓷（Intra-type Nanocomposites）
由日本科學(xué)家新原皓一提出，主要指將納米顆粒引入微米級基體晶粒內(nèi)部或晶界上，形成特殊的“內(nèi)晶型”或“晶界型”結(jié)構(gòu)。
SiC納米顆粒-Al?O?基復(fù)合材料：將納米SiC顆粒分散在Al?O?基體中，即使少量添加（通常<5 vol%），也能使材料的強(qiáng)度和高溫性能發(fā)生飛躍。其強(qiáng)化機(jī)制主要包括：
晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)：納米SiC顆粒被包裹在Al?O?晶粒內(nèi)部，釘扎位錯運(yùn)動，強(qiáng)化晶粒本身。
晶界型結(jié)構(gòu)：納米SiC顆粒位于晶界處，有效釘扎晶界，抑制晶粒在高溫下的長大，從而顯著改善材料的高溫蠕變性能和抗疲勞性能。
制備的關(guān)鍵是獲得高度均勻的納米級混合，通常需采用化學(xué)法（如聚合物前驅(qū)體熱解法）來制備復(fù)合粉體。
很越結(jié)構(gòu)材料范疇，賦予氧化鋁新的物理化學(xué)功能，是當(dāng)前研究的另一個(gè)前沿。
導(dǎo)電性Al?O?復(fù)合材料：通過引入導(dǎo)電相（如TiC, TiN, CNTs, Graphene），制備出既保持陶瓷耐高溫、耐腐蝕特性，又具備一定導(dǎo)電性的復(fù)合材料，可用于靜電噴涂、電火花加工（EDM）電很、高溫電加熱元件等。研究重點(diǎn)在于構(gòu)建連續(xù)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并平衡導(dǎo)電性與力學(xué)性能。
高導(dǎo)熱Al?O?復(fù)合材料：雖然氧化鋁本身導(dǎo)熱性尚可（~30 W/mK），但在某些電子封裝領(lǐng)域仍不足。引入很高導(dǎo)熱相如氮化硼（BN）、石墨烯是提升其導(dǎo)熱能力的有效途徑。然而，由于聲子散射界面增多，導(dǎo)熱率的提升并非簡單的線性疊加，界面熱阻成為較大挑戰(zhàn)。通過界面修飾和定向排布（如制備石墨烯定向排列的復(fù)合材料）是未來的突破方向。
生物活性Al?O?復(fù)合材料：雖然氧化鋁生物惰性優(yōu)異，常用于關(guān)節(jié)置換，但其與骨組織無法形成化學(xué)結(jié)合。通過引入羥基磷灰石（HA）、生物活性玻璃等，可以開發(fā)出兼具高強(qiáng)度和生物活性的復(fù)合材料，促進(jìn)骨整合，提高植入體的長期穩(wěn)定性。
盡管研究取得了豐碩成果，但氧化鋁陶瓷復(fù)合材料走向大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)：
制備成本與可重復(fù)性：許多先進(jìn)的納米復(fù)合粉體制備工藝（如溶膠-凝膠、前驅(qū)體法）和燒結(jié)技術(shù)（SPS、FLS）成本高昂，且難以保證大批量生產(chǎn)中的性能一致性和穩(wěn)定性。
界面工程的精密度制：復(fù)合材料的性能很大程度上取決于界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。如何實(shí)現(xiàn)界面原子尺度的精確設(shè)計(jì)與調(diào)控，仍是亟待解決的核心科學(xué)問題。
強(qiáng)韌化與功能化的平衡：在追求高韌性的同時(shí)，如何不犧牲其原有的高強(qiáng)度、高硬度或目標(biāo)功能特性，甚至實(shí)現(xiàn)協(xié)同增強(qiáng)，對材料設(shè)計(jì)提出了很高要求。
環(huán)境友好性與可持續(xù)性：部分增強(qiáng)相（如CNTs）的生物安全性、制備過程中的能耗與排放問題也需要被納入考量。
未來研究方向預(yù)計(jì)將集中在：
多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)合微米、納米甚至分子尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建多層次、多機(jī)制的協(xié)同增強(qiáng)增韌體系。
人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)：利用AI預(yù)測較佳復(fù)合組分、工藝參數(shù)與較終性能之間的關(guān)系，大幅縮短研發(fā)周期。
很端環(huán)境應(yīng)用：開發(fā)適用于很高溫、強(qiáng)輻射、很端腐蝕等環(huán)境下服役的很高性能氧化鋁復(fù)合材料。
智能化：探索具有自感知、自預(yù)警甚至自愈合功能的智能氧化鋁復(fù)合材料。
氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的研究已從較初的簡單物理混合，發(fā)展到今天對微觀結(jié)構(gòu)、界面化學(xué)的精密調(diào)控階段。通過纖維/晶須增韌、相變增韌、納米復(fù)合等多種技術(shù)的綜合運(yùn)用，其力學(xué)性能，特別是斷裂韌性得到了革命性的提升。同時(shí)，研究范疇也已很越傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料，向功能化、智能化領(lǐng)域迅猛拓展。盡管面臨成本、工藝和基礎(chǔ)理論方面的挑戰(zhàn)，但隨著新材料、新工藝、新理論的不斷涌現(xiàn)，氧化鋁陶瓷復(fù)合材料必將在更尖端、更廣闊的領(lǐng)域扮演不可或替代的關(guān)鍵角色，持續(xù)推動高端制造業(yè)與前沿科技的進(jìn)步。