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氧化铝(Al2O3)陶瓷具有高强高硬、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优异特性，是当前应用最广泛的陶瓷材料之一。然而，固有的脆性极大地限制了Al2O3陶瓷在众多领域中的进一步应用。Al2O3陶瓷的脆性本质是难以改变的，但可以采取一些途径予以改善。
氧化铝陶瓷
经过多年发展，形成了以引入增韧相材料为主的提升Al2O3陶瓷韧性的方法。根据材料的类型，常用于增韧Al2O3陶瓷的材料主要有：颗粒、晶须与短纤维、连续纤维和碳基材料（如石墨烯、碳纳米管等）等，形成了众多类型的Al2O3复合材料。在保留单体Al2O3陶瓷优异性能的基础上，Al2O3复合材料不仅具有了高损伤容限，还获单体Al2O3陶瓷不具备的新颖特性，如导电性、导热性等。无论采用哪种增韧相材料，促使裂纹偏转是实现Al2O3陶瓷增韧的关键。
一元增韧方法
1 颗粒增韧
颗粒增韧是提高陶瓷材料韧性的简单方法。对Al2O3陶瓷而言，颗粒增韧相材料主要是高延性的金属颗粒或高弹性模量的非金属颗粒。作为增韧相,金属颗粒主要是通过颗粒拔出、塑性变形等增韧机制促使Al2O3基体裂纹偏转。此外,金属颗粒可以一定程度上避免Al2O3晶粒生长，进而改善Al2O3陶瓷的烧结特性。常见的金属颗粒主要有Al、Ni、Ti、Cu和Fe等。
然而,由于金属颗粒的弹性模量一般低于Al2O3陶瓷，因此金属颗粒增韧Al2O3复合材料具有相对偏低的硬度和强度。作为增韧相，高弹性模量的非金属颗粒能够提高Al2O3陶瓷的韧性，其增韧机制主要有颗粒拔出、钉扎和裂纹偏转、桥联等。常见的非金属颗粒主要有SiC、Si3N4、TiC等等。
▲颗粒增韧Al2O3复合材料的增韧机制示意图
但颗粒的引入显著改善Al2O3陶瓷韧性同时，对Al2O3陶瓷的其他性能，如热性能、电性能等也带来了影响。金属颗粒的引入会增加Al2O3陶瓷的断裂韧性，但由于其偏低的模量导致了Al2O3陶瓷硬度的下降。此外，由于金属颗粒的导电性质，Al2O3陶瓷的电阻率显著降低；同时，金属颗粒使Al2O3陶瓷在可见光谱中的吸光率也发生了显著变化，其中Fe、Ti和Y等增强了Al2O3的吸光率，而Mn、Co和Ni等降低了Al2O3的吸光率。
2 相变增韧
ZrO2有三种晶相：单斜相、四方相和立方相，在一定温度和压力下三种晶体结构可以相互转变。因此，Al2O3陶瓷相变增韧的研究热点集中在ZrO2/Al2O3(ZTA)复合材料。经高温制备得到的ZrO2具有四方相结构(t-ZrO2)。在外加应力作用下，该结构将向同素异构体——单斜相ZrOm-ZrO2)转化，即马氏体相变，并伴随3.0%~5.0%的体积膨胀和7.0%~8.0%的剪切应变，因此对基体产生一个压应变，阻止裂纹贯穿传播和实现裂纹偏转。
研究者把ZrO2相变用于增韧Al2O3陶瓷，形成ZTA复合材料。当承受外加应力时，ZTA复合材料会出现裂纹，在裂纹传播过程中应力场会引起ZrO2相变，相变产生的体积膨胀对裂纹产生压应力，表现为裂纹尖端的应力强度因子降低，因而增强了抵抗裂纹扩展的能力和提高了ZTA复合材料的韧性。
▲(a)塑性马氏体相变抑制裂纹传播示意图；(b)ZTA复合材料在裂纹萌发和扩展过程中的增韧机制(黄色颗粒表示四方相ZrO2，颜色变为红色表示向单斜相转化，箭头表示相变导致的压应力区域)
四方相结构的ZrO2是实现相变增韧的前提。然而高温易导致应力诱导的相变增韧机制失效，从制备温度冷却到室温过程中，ZrO2会完成从立方相→四方相→单斜相的转变。因此，ZTA复合材料更适宜在常温或不高的温度环境中服役,温度的局限性极大阻碍了相变增韧在Al2O3陶瓷的推广应用。
为制备具有稳定四方相结构的ZrO2，需引入稳定剂，如Y2O3、MgO、CaO、CeO2、Cr2O3和TiO2等。在制备ZTA复合材料过程中，ZrO2晶粒可以渗透到Al2O3晶粒之间,并可以抑制Al2O3晶粒生长。在高致密度和高强度的基础上，ZTA复合材料获得了高韧性。
3 晶须与短纤维增韧
晶须增韧
晶须是由高纯度单晶生长而成的微纳米级的纤维状晶体，因其形状与胡须相似而得名。晶须的直径小(0.05~10μm)，长度和直径的比值高(5~1000)，内部缺陷很少，其强度约等于邻接原子间力产生的强度，因此晶须的拉伸强度、弹性模量均接近理论值，并具有优异的耐高温和抗蠕变性能。作为增韧相，晶须可以较好地提升Al2O3陶瓷的韧性。晶须可分为金属晶须（如Cuw、Crw、Few等）和陶瓷晶须（如SiCw、Si3N4,w、Al2O3,w等）。在众多晶须中，SiC和Al2O3晶须相对成熟，常用于增韧Al2O3陶瓷。
▲晶须增韧Al2O3复合材料的增韧机制示意图：(a)裂纹偏转，(b)晶须桥联，(c)晶须拔出，(d)微裂纹传播
短纤维增韧
与晶须相比，短纤维的直径和长径比更大。此外，短纤维可以通过对连续纤维进行短切得到。因此，短纤维具有易获取特征，其再利用可以解决连续纤维使用过程中产生的资源浪费问题。短纤维的增韧机制与晶须增韧机制相似，主要通过桥联、拔出等途径偏转裂纹。
短纤维既可以实现类似颗粒增韧相的均匀分散、润湿性好等效果，又因为在二维方向存在尺寸差异，可以在基体内部发生交叉、重叠、缠结等微观的交互作用，进一步偏转裂纹和提升Al2O3陶瓷的韧性。因此，如何将短纤维增韧优势最大化，凸显出短纤维与其他增韧相不同的增韧效果，并进一步降低工艺成本，将是后续发展的主要课题。
▲(a)纤维喷涂-层铺工艺；(b)手动层铺工艺制备的Al2O3,sf/Al2O3复合材料的微观结构
4 连续纤维增韧
经过多年发展，将连续纤维引入陶瓷而形成陶瓷基复合材料(CMCs)是目前最有效的增韧方法之一。根据成分的不同，可将连续纤维分为氧化物纤维（如Al2O3和SiO2纤维等）和非氧化物纤维（如C和SiC纤维等）。CMCs可表现出类似金属材料的非灾难性断裂特征，其主要增韧机制有基体预压缩应力、界面脱粘，纤维桥联、纤维拔出等，其中以纤维断裂后克服摩擦力从基体中拔出过程耗能最为显著，而纤维拔出的前提是界面脱粘，因此基体与纤维之间的界面结合状态是实现CMCs增韧的关键。界面结合太强，纤维失去增韧效果，CMCs呈脆性断裂；界面结合太弱，导致载荷无法有效从基体传递至纤维,CMCs强度低。
▲(a)陶瓷基复合材料(CMCs)的增韧机制示意图；(b)Al2O3/Al2O3复合材料的弯曲应力-位移曲线；(c),(d)断口形貌
4 石墨烯、碳纳米管和MXene增韧
石墨烯增韧
石墨烯是碳原子以sp2杂化方式连接的单层二维原子蜂窝状晶格结构材料，其比表面积为2630.0㎡/g，拉伸强度为130.0GPa，弹性模量为1.0TPa，优异的力学性能使其在众多领域得到应用。此外，石墨烯的衍生物氧化石墨烯(GO)和石墨烯纳米片(GNPs)等也用于增韧Al2O3陶瓷。
碳纳米管增韧
碳纳米管是一种主要由碳六边形组成的单层或多层石墨烯片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空的一维纳米管，其内径为1~100nm，长度可达微米级。凭借独特结构，碳纳米管的拉伸模量为1.0TPa、断裂应变为10.0%~15.0%。因此，碳纳米管具有其他增韧相不可比拟的优势。
MXene增韧
作为一种新兴的二维层状过渡金属碳化物/氮化物，MXene具有可调节的表面特性和带隙以及优异的力学性能，被认为是可替代石墨烯和最有发展潜力的二维纳米片层材料，已得到了快速发展。MXene是通过蚀刻Mn+1AXn类材料（M是过渡金属；A是IIIA族或IVA族元素；X是C或N原子）中的A层获得。MXene轻质高强的特性促使其用于增韧Al2O3陶瓷，并呈现出优异的增韧效果。
多元协同增韧方法
随着对Al2O3陶瓷材料增韧的研究深入，为充分利用不同增韧方法的优点，弥补各自的不足，形成了多元协同增韧方法，即通过两种及以上增韧方法的协同作用进一步提高增韧效果的方法。多元协同增韧方法已受到研究人员的广泛关注，常见的多元协同增韧方法有：颗粒/晶须、颗粒/相变、相变/晶须、石墨烯（碳纳米管）/颗粒（或相变、晶须）等。
1 颗粒/晶须协同增韧
许多研究表明，颗粒和晶须可实现协同增韧效果，并明显改善陶瓷材料的断裂韧性。通过HP制备了TiC纳米颗粒(TiCnp)与SiC晶须(SiCw)协同增韧的Al2O3复合材料。可观察到TiCnp诱发了穿晶断裂，SiCw诱发了晶须桥联、拔出，二者的协同增韧均引起了裂纹偏转，因此Al2O3复合材料的断裂韧性得以显著提升至6.0±0.3MPa·m1/2。
▲(a),(b)TiCnp和SiCw协同增韧Al2O3复合材料的断口形貌
2 颗粒/相变协同增韧
由于ZrO2的相变增韧机制，ZTA复合材料具有了比单体Al2O3陶瓷更高的断裂韧性，但如何进一步提高损伤容限是后续ZTA复合材料发展的方向。研究人员提出了在ZTA复合材料中引入颗粒，形成相变/颗粒协同增韧机制，从而进一步提升了ZTA复合材料的断裂韧性。
3 相变/晶须协同增韧
然而，由于SiCw存在难以SiCw的含量过高时，会导致ZTA复合材料形成较多的孔隙和偏低的力学性能。随着SiCw含量的增加，复合材料的断裂韧性和硬度先降低后增加，然而，复合材料的弯曲强度随着SiCw的增加而增加，当SiCw的含量为10.0vol%时，ZTA复合材料的弯曲强度、硬度和断裂韧性均达到最大值。
参考来源：氧化铝陶瓷增韧的研究进展，张月林，许如意，姜如，朱中华，柴一峰
