
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。