Ａｌ_２Ｏ_３／Ａｌ復合材料的制備及性能研究

摘要本文采用液相法和熱壓燒結制備出Al₂O₃/Al復合材料，并利用DSC/TG、SEM、顯維硬度計及萬能試驗機測試研究了復合材料的熱學性能、微觀結構及力學性能。結果表明，引入Al后復合陶瓷的斷裂韌性有顯著提高。

關鍵詞氧化鋁，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熱性。研究人員已經嘗試添加多種高熔點的貴重金屬，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展，但對低熔點的廉價金屬研究卻很少。本實驗以低熔點金屬Al為陶瓷增韌相，采用非勻相沉淀法制備Al₂O₃包裹Al復合粉體，通過高溫熱壓燒結制備出Al₂O₃/Al復合陶瓷。研究分析了Al₂O₃/Al復合材料的微觀結構及力學性能。

2實驗方法

實驗采用分析純的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，分別將相當于最終Al₂O₃粉體5、10、15、20mol%的納米Al粉加入溶液當中，在強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，此時將有沉淀生成。將沉淀真空抽濾并經反復去離子水洗滌，除去NH4+和NO₃-離子，獲得反應前驅體。將前驅體放入烘箱中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）于不同的溫度下進行燒結。

前驅體的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體的密度；利用HVS-50型數顯維氏硬度計測試材料的硬度；利用壓痕法和Niihara的公式[4]測試計算復合材料的斷裂韌性KIC值；在德國Zwick/Roell公司的Z030萬能試驗機上采用三點抗彎曲法測定樣品的抗彎強度；Al₂O₃/Al燒結瓷體的顯微結構利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。

3 實驗結果及分析

圖1為復合粉體的DSC/TG曲線。從DSC曲線可以看出，170℃左右的吸熱峰為前驅體脫水形成的AlOOH，400℃吸熱峰的出現是由于Al(OH)3脫水生成γ-Al₂O₃，曲線上660℃時出現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，對應于前驅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晶型的轉變也起到促進作用。

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

從圖3可以看出，燒結條件相同時（1450℃/30min），Al₂O₃/Al復合材料的斷裂韌性(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Al為15mol%時，Al₂O₃/Al的斷裂韌性KIc值為6.69MPa·m1/2，達到單體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，并隨裂紋的擴張發生塑性變形，從而消耗裂紋尖端的能量。Al與Al₂O₃基體的結合強度因Al表面氧化后形成了氧化膜而得到了加強，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。實驗結果基本符合復合材料性能的統計平均規律，即:

當增韌相i的體積分數增加，復合材料的性能δ將隨之變化。

由于KIc同時受到顯微結構諸因素如晶粒尺寸、氣孔的數量及分布、晶界相等的影響。當Al含量增加到一定程度后，高溫燒結時容易造成晶粒異常長大，導致氣孔增加，密度下降，KIc數值增加緩慢。

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

表1為實測材料（純Al₂O₃和Al含量為10mol%的復合陶瓷）在1450℃下燒結后的致密度、晶粒尺寸、抗彎強度和斷裂韌性數值。同單相Al₂O₃相比，添加10mol%Al的Al₂O₃/Al復合陶瓷的抗彎強度稍有提高，斷裂韌性卻提高了86%。從SEM（圖5）可以看出，復合陶瓷韌性的提高歸因于金屬Al的引入，陶瓷斷裂時金屬鋁的拔出導致裂紋偏轉和裂紋橋聯，以及殘余應力的增加和結構中出現的細小裂紋、裂紋橋聯和微裂紋增韌機制協同作用致使復合材料的韌性顯著提高。

4結 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復合粉體，經熱壓燒結后可獲得Al₂O₃/Al復合陶瓷。

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

參考文獻

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4 Niihara K，Morena R，Hasselman D P H.Evaluation of KIc of brittle solids by the indentation method with low crack to indentations[J].J.Mater.Sci.Lett.，1982，1:13～16.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。