氧化鋁陶瓷的脆性問題如何解決？-淄博贏馳陶瓷新材料

為解決這一問題，材料科學(xué)家和工程師們開發(fā)了多種策略，主要從材料改性、復(fù)合設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個(gè)層面入手：

一、材料改性：提升陶瓷本體的韌性

通過改變氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)或成分，從根本上提高其斷裂韌性。

1. 細(xì)化晶粒 (Grain Refinement)：

• 原理：根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒越細(xì)，晶界越多，裂紋擴(kuò)展時(shí)需要消耗更多能量。

• 方法：采用高純超細(xì)氧化鋁粉體，優(yōu)化燒結(jié)工藝（如熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)SPS），抑制晶粒長大。

• 效果：細(xì)晶氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度和韌性顯著高于普通粗晶陶瓷。

2. 相變?cè)鲰g (Transformation Toughening)：

• 原理：引入氧化鋯（ZrO?） 顆粒。當(dāng)裂紋應(yīng)力場作用時(shí)，四方相氧化鋯（t-ZrO?）轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵╩-ZrO?），體積膨脹約4-5%，產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻止裂紋擴(kuò)展。

• 應(yīng)用：ZTA (Zirconia-Toughened Alumina) 復(fù)合陶瓷，即“氧化鋯增韌氧化鋁”。

• 效果：斷裂韌性可提高50%-100%，同時(shí)保持氧化鋁的高硬度和耐磨性。

3. 第二相顆粒增韌：

• 裂紋偏轉(zhuǎn)：硬質(zhì)顆粒使裂紋改變方向，增加擴(kuò)展路徑。

• 橋接作用：顆粒跨越裂紋，傳遞載荷。

• 拔出效應(yīng)：顆粒從基體中拔出時(shí)消耗能量。

• 原理：在氧化鋁基體中加入碳化硅（SiC）晶須或納米顆粒。

• 機(jī)制：

• 效果：顯著提高強(qiáng)度和韌性，常用于高性能陶瓷刀具。

二、復(fù)合設(shè)計(jì)：利用其他材料彌補(bǔ)脆性短板

將氧化鋁陶瓷與其他韌性材料結(jié)合，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，揚(yáng)長避短。

1. 金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu) (如陶瓷內(nèi)襯鋼管)：

• 設(shè)計(jì)：外層為韌性好的金屬（如碳鋼），提供整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊能力；內(nèi)層為氧化鋁陶瓷，提供耐磨、耐腐蝕表面。

• 應(yīng)用：管道、彎頭、閥門內(nèi)襯。

• 優(yōu)勢：完美結(jié)合了金屬的“柔”和陶瓷的“剛”，廣泛應(yīng)用于礦山、電力、選煤廠。

2. 纖維/織物增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 (CMC)：

• 設(shè)計(jì)：將碳纖維、碳化硅纖維或玻璃纖維編織成網(wǎng)或布，嵌入氧化鋁基體中。

• 機(jī)制：纖維能有效阻止裂紋擴(kuò)展，即使基體開裂，纖維仍能承載，實(shí)現(xiàn)“非脆性斷裂”。

• 應(yīng)用：航空航天、高端剎車盤。

3. 橡膠-陶瓷復(fù)合襯板：

• 設(shè)計(jì)：底層為彈性橡膠，上層為氧化鋁陶瓷片。

• 應(yīng)用：承受大塊物料沖擊的落料斗、破碎機(jī)腔體。

• 優(yōu)勢：橡膠吸收沖擊能量，保護(hù)陶瓷不被砸碎，適用于高沖擊工況。

三、結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化：規(guī)避應(yīng)力集中

通過合理的設(shè)計(jì)和制造工藝，減少導(dǎo)致脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

1. 優(yōu)化幾何形狀：

• 避免尖銳棱角：設(shè)計(jì)圓角、倒角，防止應(yīng)力集中。

• 平滑過渡：在厚度變化處采用漸變?cè)O(shè)計(jì)。

• 減小尺寸：使用小尺寸陶瓷片拼接，而非大塊陶瓷，降低單點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)。

2. 改進(jìn)固定方式：

• 燕尾槽嵌入式：機(jī)械鎖死，避免粘接劑失效導(dǎo)致脫落，同時(shí)分散應(yīng)力。

• 柔性粘接/墊層：使用有一定彈性的膠粘劑或在陶瓷與金屬間加緩沖墊，吸收振動(dòng)和熱應(yīng)力。

3. 控制殘余應(yīng)力：

• 優(yōu)化燒結(jié)工藝：均勻加熱/冷卻，減少內(nèi)部熱應(yīng)力。

• 后處理：如熱等靜壓（HIP）消除內(nèi)部氣孔和缺陷。

四、總結(jié)：綜合解決方案

解決氧化鋁陶瓷的脆性問題，通常需要多管齊下：

核心思想：“以柔克剛” —— 要么讓陶瓷本身變得更“韌”（材料改性），要么給它一個(gè)“軟墊子”或“保護(hù)殼”（復(fù)合設(shè)計(jì)），要么讓它避開“硬碰硬”的地方（結(jié)構(gòu)優(yōu)化）。

通過這些技術(shù)，現(xiàn)代氧化鋁陶瓷的應(yīng)用范圍已大大擴(kuò)展，成功克服了傳統(tǒng)脆性陶瓷的局限，在嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、長壽的命運(yùn)行。