摘要本文采用液相法和熱壓燒結(jié)制備出Al₂O₃/Al復(fù)合材料，并利用DSC/TG、SEM、顯維硬度計(jì)及萬能試驗(yàn)機(jī)測試研究了復(fù)合材料的熱學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。結(jié)果表明，引入Al后復(fù)合陶瓷的斷裂韌性有顯著提高。

關(guān)鍵詞氧化鋁，鋁，增韌

1引言

在陶瓷基體中引入延性金屬第二相，不僅是改善陶瓷脆性和提高韌性的最有效方法之一，而且可使陶瓷具有一定的導(dǎo)熱性。研究人員已經(jīng)嘗試添加多種高熔點(diǎn)的貴重金屬，如： Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W以及TiC、TiW[1～3]等金屬或金屬化合物顆粒來改善Al₂O₃陶瓷的脆性并取得了一定的進(jìn)展，但對低熔點(diǎn)的廉價(jià)金屬研究卻很少。本實(shí)驗(yàn)以低熔點(diǎn)金屬Al為陶瓷增韌相，采用非勻相沉淀法制備Al₂O₃包裹Al復(fù)合粉體，通過高溫?zé)釅簾Y(jié)制備出Al₂O₃/Al復(fù)合陶瓷。研究分析了Al₂O₃/Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。

2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用分析純的Al(NO₃)3·9H₂O、氨水和納米Al粉為原料。用蒸餾水配制濃度為0.02mol/L的硝酸鋁溶液，分別將相當(dāng)于最終Al₂O₃粉體5、10、15、20mol%的納米Al粉加入溶液當(dāng)中，在強(qiáng)烈的磁力攪拌下分別滴入濃度為5%的氨水溶液直至pH=6～7，此時(shí)將有沉淀生成。將沉淀真空抽濾并經(jīng)反復(fù)去離子水洗滌，除去NH4+和NO₃-離子，獲得反應(yīng)前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入烘箱中80℃干燥16h，然后將粉體裝入石墨坩堝在高溫電阻爐1050℃下煅燒0.5h后獲得納米α-Al₂O₃粉體。將粉體球磨、粉碎后置于真空熱壓爐中（壓力為30MPa）于不同的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。

前驅(qū)體的DSC/TG曲線由法國Labsys公司的SETARAM差熱分析儀完成，升溫速度為10℃/min；采用阿基米德原理測量燒結(jié)體的密度；利用HVS-50型數(shù)顯維氏硬度計(jì)測試材料的硬度；利用壓痕法和Niihara的公式[4]測試計(jì)算復(fù)合材料的斷裂韌性KIC值；在德國Zwick/Roell公司的Z030萬能試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)抗彎曲法測定樣品的抗彎強(qiáng)度；Al₂O₃/Al燒結(jié)瓷體的顯微結(jié)構(gòu)利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為復(fù)合粉體的DSC/TG曲線。從DSC曲線可以看出，170℃左右的吸熱峰為前驅(qū)體脫水形成的AlOOH，400℃吸熱峰的出現(xiàn)是由于Al(OH)3脫水生成γ-Al₂O₃，曲線上660℃時(shí)出現(xiàn)的小吸熱峰是由于納米Al粉的熔化造成的，800℃左右的吸熱峰可能是由于θ-Al₂O₃的形成，1020℃出現(xiàn)的弱吸熱峰是θ-Al₂O₃向α-Al₂O₃的相變引起的。TG曲線顯示在100℃至400℃之間有明顯失重，對應(yīng)于前驅(qū)體吸附水的喪失以及Al(OH)3脫水成為AlOOH。另外， DSC曲線顯示在500℃左右開始出現(xiàn)的微弱放熱峰是來自納米鋁粉的氧化，放出的熱量對Al₂O₃晶型的轉(zhuǎn)變也起到促進(jìn)作用。

圖2為熱壓燒結(jié)后材料的維氏硬度隨Al含量的變化曲線。同一燒結(jié)溫度下，復(fù)合陶瓷的維氏硬度（Hv）隨著Al含量的增加明顯下降，尤其是Al含量較高時(shí)下降更快。圖中表明，1450℃溫度下，材料的硬度值從Al₂O₃單體時(shí)的20.01±1.0GPa下降到Al含量為15mol%時(shí)的13.5±0.5GPa。復(fù)合材料硬度下降的原因有以下幾方面:一方面是金屬Al顆粒是質(zhì)地比較軟的材料；其次是Al₂O₃/Al復(fù)合材料的密度隨著Al含量增加也在下降；再者由于Al₂O₃和Al的膨脹系數(shù)（分別為23.6×10-6/℃和8.3×10-6/℃）相差較大，燒結(jié)冷卻過程中兩種晶粒的熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致Al₂O₃/Al界面受到張應(yīng)力的作用。

從圖3可以看出，燒結(jié)條件相同時(shí)（1450℃/30min），Al₂O₃/Al復(fù)合材料的斷裂韌性(KIc)隨著Al含量的增加有明顯提高，單相Al₂O₃陶瓷的斷裂韌性(KIc)為3.59MPa·m1/2，當(dāng)Al為15mol%時(shí)，Al₂O₃/Al的斷裂韌性KIc值為6.69MPa·m1/2，達(dá)到單體Al₂O₃陶瓷的1.86倍。Al增韌Al₂O₃材料的主要方式為Al粒子對基體裂紋的橋聯(lián)，并隨裂紋的擴(kuò)張發(fā)生塑性變形，從而消耗裂紋尖端的能量。Al與Al₂O₃基體的結(jié)合強(qiáng)度因Al表面氧化后形成了氧化膜而得到了加強(qiáng)，Al₂O₃膜既能緊密附著在Al表面，又可以和周圍的Al₂O₃緊密接合，基體可以有效地將外力傳遞到Al顆粒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合復(fù)合材料性能的統(tǒng)計(jì)平均規(guī)律，即:

當(dāng)增韌相i的體積分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的性能δ將隨之變化。

由于KIc同時(shí)受到顯微結(jié)構(gòu)諸因素如晶粒尺寸、氣孔的數(shù)量及分布、晶界相等的影響。當(dāng)Al含量增加到一定程度后，高溫?zé)Y(jié)時(shí)容易造成晶粒異常長大，導(dǎo)致氣孔增加，密度下降，KIc數(shù)值增加緩慢。

圖4為10mol%鋁添加量的復(fù)合陶瓷在不同燒結(jié)溫度下斷口的顯微結(jié)構(gòu)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，幾種不同燒結(jié)溫度的斷口形貌均有一定差別。隨著燒結(jié)溫度的增加，晶粒尺寸增加，1350℃時(shí)致密度已經(jīng)有明顯提高。低溫下以沿晶斷裂為主，1350℃已開始出現(xiàn)少量穿晶斷裂引起的解理臺階，這說明此時(shí)瓷體的晶界結(jié)合已有一定的強(qiáng)度。圖4(c)是1450℃的燒結(jié)瓷體，可以看到穿晶斷裂和沿晶斷裂同時(shí)存在，晶粒尺寸為1～2μm，此時(shí)力學(xué)綜合性能最好。正是由于Al的引入，導(dǎo)致瓷體致密速度加快。但是隨著熱壓燒結(jié)溫度繼續(xù)升高（1550℃），由于液相Al的存在，同時(shí)由于Al表面氧化后形成了氧化物，容易和陶瓷基體相容，導(dǎo)致部分晶粒尺寸異常長大，此時(shí)晶界的結(jié)合強(qiáng)度也隨之下降，沿晶斷裂和穿晶斷裂共存，材料的密度、硬度和強(qiáng)度隨之下降。

表1為實(shí)測材料（純Al₂O₃和Al含量為10mol%的復(fù)合陶瓷）在1450℃下燒結(jié)后的致密度、晶粒尺寸、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性數(shù)值。同單相Al₂O₃相比，添加10mol%Al的Al₂O₃/Al復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度稍有提高，斷裂韌性卻提高了86%。從SEM（圖5）可以看出，復(fù)合陶瓷韌性的提高歸因于金屬Al的引入，陶瓷斷裂時(shí)金屬鋁的拔出導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)，以及殘余應(yīng)力的增加和結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的細(xì)小裂紋、裂紋橋聯(lián)和微裂紋增韌機(jī)制協(xié)同作用致使復(fù)合材料的韌性顯著提高。

4結(jié) 論

（1） 以Al(NO₃)3·9H₂O、氨水和納米Al粉為主要原料，通過非勻沉淀法制備出納米α-Al₂O₃包裹Al復(fù)合粉體，經(jīng)熱壓燒結(jié)后可獲得Al₂O₃/Al復(fù)合陶瓷。

（2） 同單相Al₂O₃相比，添加10mol%Al的Al₂O₃/Al復(fù)合陶瓷的斷裂韌性提高了86%。

參考文獻(xiàn)

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