在超過2000℃熔點的氧化物中，氧化鋁陶瓷是最靈活和廉價的材料。氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁（氧化鋁）為主體的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷機械強度高、硬度大、高頻介電損耗小，又因為它的原料來源廣、價格相對便宜、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)遠沒有金屬那么多，這導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，進而導致層間產(chǎn)生宏觀應(yīng)力，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。受到外力作用時，能最大限度地吸收應(yīng)變能，并且使裂紋沿界面產(chǎn)生反復偏轉(zhuǎn)、拐折。以此達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，但其缺點主要是弱夾層會降低材料強度，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)專家提出了采用強夾層的思路，制備出了ZTA/ 氧化鋁強夾層，沖擊韌性達10 Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，氧化鋁陶瓷的5.6倍。一些科學家通過計算機對層狀復合陶瓷進行了模擬，發(fā)現(xiàn)如果軟層材料的強度太高、太低都會降低整體韌性，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、纖維復合增韌

研究表明，連續(xù)纖維對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到的最高韌性，可以達20Mpa.m1/2左右，因此是改善陶瓷材料脆性非常有效的途徑。該方法把強度、彈性模量較高的纖維分散在陶瓷基體中。復合材料在外力作用下，一部分載荷由纖維承擔，以此來減輕基體本身的負荷。而且，基體中的纖維在承受力大于其強度發(fā)生斷裂時，纖維產(chǎn)生拔出機制。此外，這些纖維在基體中也存在裂紋橋聯(lián)、偏轉(zhuǎn)來阻止裂紋的擴展。這3種增韌機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、直徑極?。ㄍǔＰ∮? um）的短纖維。其晶體缺陷少，原子排列高度有序，強度接近相鄰原子間成鍵力的理論值。理論和實踐證明，把它應(yīng)用于陶瓷的增韌，對提高韌性有一定作用。如把碳化硅晶須（體積分數(shù)可達20%——30%）引入氧化鋁基陶瓷中，段韌性可達8——8.5 Mpa.m1/2。

晶須增韌的機制除了拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋聯(lián)、釘扎等機制外，自身強度高也是一個原因。因此在理論上，提高晶須強度、降低其彈性模量，提高長徑比能提高增韌效果。纖維、晶須增韌氧化鋁瓷的缺點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，生長出增韌、增強相。它在一定程度上消除了基體相與增韌相在物理或化學上的不相容性，而保證了基體相與增韌相的熱力學穩(wěn)定性。對于氧化鋁陶瓷而言，異向生長晶粒增韌氧化鋁成為克服氧化鋁陶瓷脆性的研究熱點。其主要機理是通過工藝措施，控制氧化鋁晶粒的生長方向，使其沿某些晶面優(yōu)勢生長成棒狀、長柱狀，起到類似晶須的增韌作用。在受到外來載荷時，裂紋尾部產(chǎn)生橋聯(lián)方式；而且這些異向生長的氧化鋁也會產(chǎn)生拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機制，而使整個氧化鋁陶瓷的韌性得到提高。

四、相變增韌

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裂紋，以吸收能量、阻止裂紋擴展。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，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，ZrO2顆粒上的壓力得到松弛，四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵w積膨脹后在基體中產(chǎn)生微裂紋，而吸收主裂紋的能量，達到增韌效果。這就是應(yīng)力誘導相變增韌機制。

在增韌機理中，除了ZrO2的誘導相變機制外，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，擴展困難，也可以提高韌性。部分研究人員用體積分數(shù)為10%——30%的ZrO2制備ZTA陶瓷時發(fā)現(xiàn)，ZrO2用量在體積分數(shù)為20%時增韌效果最好。

陶瓷增韌技術(shù)在未來的很長一段時間都將是材料界的熱點技術(shù)。陶瓷材料固有的高強度、耐高溫、低膨脹系數(shù)等特性如果能夠再結(jié)合高韌性，那將是材料界夢寐以求的高性能材料，運用領(lǐng)域極為廣泛。下面簡單介紹一下氧化鋁陶瓷的一些應(yīng)用吧。

（一）機械方面

氧化鋁陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強度可達250MPa，熱壓產(chǎn)品可達500MPa。氧化鋁陶瓷的莫氏硬度可達到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，可大幅提高對不同材料的切削效率。隨著科學工作者的大量研究，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合陶瓷和晶須增強陶瓷中。這些技術(shù)彌補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，還具有高熱導率、低電導率、高硬度、高強度、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。

氧化鋁陶瓷基片

氧化鋁陶瓷基片具有機械強度高、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)學方面

在醫(yī)學方面，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如脆性大、斷裂韌性低、機加工技術(shù)難度高、工藝復雜等，因此需要進一步研究應(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。

材料科學的魅力就在于取長補短，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、復合增強等領(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。