Al2O3/金属多相材料研究进展（四）
5性能研究
对于Al2O3/金属复合材料来讲，主要用于制备工程结构部件，所以人们普遍关注它的机械性能，包括强度、韧性、硬度、抗热震性、耐磨性等。另外。Al2O3/金属也用于绝缘基片，火花塞绝缘材料、固体电路外壳等，所以对其热性能也有一定的研究。而对这类材料的功能性则研究很少。下面从机械性能、热性能、磁性能和介电性能等方面讨论。
5.1 力学性能
从机械性能来讲，人们关心的主要是强度和韧性。从表一中可以看出，Al2O3中加入金属以后，基体强度都有不同程度的提高。这主要是因为金属粒子阻碍基体晶粒的长大，细化基体晶粒所致[34]。从提高强度的角度来讲，金属粒子在基体中越小，分布越弥散越好。
加入金属最主要的目的是提高基体的韧性。复合材料韧性的提高与金属的含量和金我属的颗粒的粒度有关。我们知道，由于金属与陶瓷基体的热膨胀系数的差别导致金属粒子的尺寸必须小于某一临界值。当金属离子尺寸小于这一临界值时，韧性随金属含量的增加而提高；当金属粒子尺寸大于临界尺寸时，韧性随金属含量的增加而急剧下降[9]。另外，增韧效果还与界面结合的强弱及界面结构有关。究竟什么样的界面结构最好，多大的界面结合强度最优，目前似乎还没有一个肯定的说法。
增韧的机理主要有两种：裂纹桥联增韧和微裂纹增韧。其中，桥联增韧是金属陶瓷中最有效的增韧机制。目前有人利用多种增韧手段的协同或耦合效应实现增韧。台湾大学的段维新教授利用ZrO2的相变增韧和Ni金属增韧的耦合效应，得到的增韧效果比各相单独增韧的总和还要高[19]。具体的作用机制目前还不是很清楚，还有待以后更深入的研究。
5.2热性能
对于Al2O3/金属材料，除用于结构材料外，还可以用在电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。而这些应用要求材料具有较好的导热性能，当然，也需要保持一定的机械强度。
在固体氧化物中，传热主要依靠晶格振动。而金属传热则依靠自由电子。在20~1000℃范围内，复合材料的热导率随温度的升高而下降。这主要时由于温度的升高缩短了声子的平均自由程，从而使振动波互散射，增加热阻所致[36]。
表一 Al2O3/金属多相材料性能
|
相对密度% |
抗弯强度MPa |
断裂韧性Mpam1/2 |
矫顽力Oe |
材料体系 |
参考文献 |
|
96.7±0.4 |
386±46 |
5.4±0.2 |
|
Al2O3/Ni (5%) |
[34] |
|
97 |
613±20 |
12.1±0.1 |
|
Al2O3/Ni（35%） |
[26] |
|
98.1 |
583±17* |
5.4±1.5 |
|
Al2O3/Cu（5%） |
[6] |
|
96.4 |
592 |
6.6±0.3 |
|
Al2O3/Cr（50%） |
[11] |
|
>99 |
>1000 |
3.5±0.1 |
51 |
Al2O3/Ni (5%) |
[44] |
|
|
~1000 |
3.9 |
133 |
Al2O3/Co (5%) |
[45] |
*三点抗弯强度,其余为四点法抗弯强度
对多晶材料，显微结构因素对热导率有显著的影响。复合材料中都或多或少有一定的气孔，一般气体热导率相对较低，从而降低整体热导率。所以，降低气孔率，提高致密度，是提高热导率的一个可行方法。另外，两相的界面也阻止热传导过程。在较低温度范围内，声子的平均自由程受到晶粒尺寸的限制，一般随晶粒尺寸的减小而热导率明显下降[36]；在较高温度范围内，声子的平均自由程明显小于晶粒尺寸，在一些材料中，晶界对热导率的影响很微弱[37]。但是，晶界对热导率的影响及本质对不同的材料是不同的。，可能附加的热阻是由于晶界的局部区域通过一种不同于晶界体反射的方式所致，但具体的本质是什么，尚未见报道。在资料[38]中认为，第二相金属粒子的尺寸增大，材料热导率会提高，但是，第二相粒子尺寸必须超过某一临界值，即开普勒半径（这一半径可以计算出来）。这很可能是由于半径增大，减少了晶界面积所致。如果低于临界值，热导率随粒子半径增大而减小。原因不太清楚。作者通过制备不同尺寸的Al2O3/Ni材料，对这一理论进行了验证。在资料[39]中，作者得到：随金属Ni含量的增加，热导率增加。其原因可能是随金属含量增加，第二相粒子尺寸增大，减少了晶界面积。也有可能随金属含量增加，金属对复合材料的整体热导率贡献增加。不过，第二相粒子引入后，热导率的变化并非全部是由于界面的作用，也有可能是由于第二相金属原子进入基体晶格所致[40]。
对于Al2O3/金属的热导率，目前研究还不是很多，尤其对界面作用的本质研究还很不清楚，有待更深入的实验和理论研究。
5.3功能化特性研究
5.3.1磁性能研究
众所周知，过渡族金属及其合金具有磁性能（如铁磁性、磁致伸缩等），所以在把这些金属引入陶瓷中增韧的同时，也就引入了其功能化特性。而这一点似乎并没有引起金属陶瓷研究人员的重视。目前，也只有日本的Niihara领导的课题小组在这方面作了一些工作，利用Ni的磁致伸缩性能开发出应力遥感测试装置[3]。另外，过渡族金属及其合金以颗粒的形式存在于材料体系中，其矫顽力比单独的金属块体要高的多。如ZrO2/Ni的矫顽力是138奥斯特，而金属Ni的矫顽力只有0.7~1.0奥斯特，提高了两个数量级。而按照目前磁性材料的分类，矫顽力大于126奥斯特就属于硬磁性材料；小于12.6奥斯特为软磁性材料；介于二者之间的为半硬磁材料。从目前已经得到的一些数据看（见表1），Al2O3/过渡族金属的矫顽力数值已经达到半硬磁材料甚至硬磁材料的要求，所以开发Al2O3/M在磁性领域的应用是一个新的方向。
矫顽力与金属颗粒的大小有很大的关系。金属粒径大于100nm，矫顽力随粒径的减小而增大；粒径小于100nm，矫顽力随粒径的减小而减小，到一定粒度(~15nm)，矫顽力为零，称为超顺磁性[41]。这与磁畴壁与晶界的作用有关。
5.3.2 介电性能
Al2O3中引入金属后,其介电性能也会发生改变。目前对Al2O3/金属介电性能的研究非常少。本课题组对其进行了初步的研究，发现Al2O3/Ni纳米复合材料的介电损耗频率谱与纯Al2O3相反，如图3[30]所示，其内在的机理还有待进一步的研究。另外，在研究材料的电导率时，发现到某一温度时，材料的电导率突然急剧增加，由原来的绝缘变成导体，似乎存在着一个开关效应,如图2[42]，更深入的研究正在进行当中。根据所得到的现象及更深入的机理研究，很有可能开发Al2O3/金属材料在介电领域新的应用。
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