氧化铝陶瓷具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点，是目 前世界上生产量较大的工业陶瓷材料,广泛应用于机械、电 子、汽车、仪器仪表、化工、化纤、生物、航空航天等领域。 但氧化铝陶瓷由于其本身的脆性而限制了它的应用。这 是由这类材料自身结构特点所决定的。陶瓷材料中的化学键 以共价键和离子键为主，这两类化学键都具有较强的方向性 和较高的结合强度，致使塑性变形难、脆性大、裂纹敏感性 强。因此提高氧化铝陶瓷的韧性成为该材料研究领域的核心 问题。
近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维等 增强材料，使陶瓷的韧性大大改善，而且强度及模量也有一 定提高。增韧方法主要有颗粒增韧、晶须增韧、纤维增韧等 ，可归纳如图1所示。
氧化铝陶瓷增韧原理可以概述为以下几点：
① 增强体及周围基体内部产生残余应力场，阻碍裂纹 扩张，增强韧性；
② 微裂纹的钉扎作用以及裂纹尖端、尾部效应；
③ 增强体造成裂纹尖端应力松弛、减缓裂纹扩展；
④ 晶须、短纤维的脱粘作用，减缓裂纹扩展；
⑤ 组织细化、抑制晶粒长大，加强韧性。
开展氧化铝陶瓷材料的增韧研究，具有重要的现代意义 和实际应用价值。为了减小Al2O3 基陶瓷材料的脆性，除了 采用先进的制备工艺外，人们还研究了许多增韧的方法。
目前应用较多的增韧方法是ZrO2增韧。ZrO2对氧化铝陶 瓷的增韧综合了多项增韧机理：
(1)相变增韧：利用四方ZrO2 马氏体相变来改变陶瓷材料的韧性。当ZrO2陶瓷受到外加应 力作用时，其中的四方相ZrO2颗粒会转变成同素异构体单斜 ZrO2，同时产生3％～5％的体积膨胀，吸收应变能并弥合裂 纹，从而提高材料的断裂韧性；
(2)微裂纹增韧：ZrO2在由四 方相向单斜相转变时，因体积膨胀产生的微裂纹将起到分散 基体中主裂纹尖端能量的作用，并导致主裂纹扩展路径发生 扭曲和分叉，从而提高断裂能，引起陶瓷断裂韧性增加；
(3) 弥散增韧：基体材料中加入ZrO2颗粒，对裂纹起钉扎作用， 耗散裂纹前进的动力。同时，颗粒在基体中受拉伸时阻止横向截面收缩，消耗更多的能量，达到增韧目的。
1981年Evans和Mcmeeking提出残余应力相变增韧公式， 1982年Lange推导出相增韧的热力学方程[6]。大量的研究表明 ZrO2增韧Al2O3的效果与材料的成分、烧结温度、晶粒尺寸等 因素密切相关，但只有定性描述，没有定量描述。北京科技 大学的尚成嘉等[9]，研究了采用辊扎工艺制备的氧化锆增韧 氧化铝复相陶瓷中氧化锆相分布的分形维数随氧化锆含量、 烧结温度、保温时间的变化规律，提出了利用相分布的分形 维数作为一个参量来分析相分布对陶瓷材料力学性能的影 响的可能性,指出ZrO2相的形貌及分布特征将直接或间接地 影响ZrO2的增韧效果。
中科院上海硅酸盐研究所靳喜海和天津大学的董向红 等，从热力学角度探讨了影响四方氧化锆应力诱导相变及 其增韧效果的主要因素，指出相变增韧效果不仅与t- ZrO2的 含量有关，还与材料的弹性模量、基体材料的韧性等有关。
晶须是具有一定长径比(直径0.1～1.8 μ m，长35～ l50 μ m)、且缺陷少的陶瓷单晶，具有很高的强度，是一种非 常好的陶瓷基复合材料的增韧增强体。晶须增韧的机制主要 是晶须在拨出和断裂时，都要消耗一定的能量，有利于阻止 裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。但随晶须含量的增加， 容易产生晶须团聚，使陶瓷致密化变得困难，造成烧结体相 对密度降低。
纤维长度较陶瓷晶须长数倍，也是一种很好的陶瓷增韧 体。常用的增强纤维有碳纤维、SiC纤维、B纤维等。碳纤维 的密度在1.5×10－3～2.0×10－3 kg/cm 之间。氧化铝基体和碳 纤维的结合不是简单混合物，是一个有机的复合体，它们通 过很薄的界面有机地结合在一起。但碳纤维在400℃以上， 抗氧化性能下降，在空气中氧化生成CO和CO2。1991年 Niihala将体积分数5％SiC(粒径小于300nm)加入到Al2O3，制 备的纳米复合材料抗弯强度由350MPa增加到1000MPa，断裂 韧性由3.5 MPa·m1/2增加到4.8MPa·m1/2 [12]。我国自行研制 的纤维补强陶瓷基复合材料已独创性地应用于战略导弹上， 被列为定型产品，并应用于各类卫星天线窗的保护框上。
晶须和纤维也可复合使用,可用SiC、Si3N4等晶须或C、 SiC等长纤维对氧化铝陶瓷进行复合增韧。晶须或纤维的加 入可以增加断裂表面，即增加裂纹的扩展通道。当裂纹扩展 的剩余能量渗入到纤维(晶须)，发生纤维(晶须)的拔出、脱粘 和断裂时，导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生偏转等， 从而使复合材料韧性得到提高。而且，弹性模量及断裂韧性 随着SiC含量增加而提高。所以，SiC对陶瓷材料具有同时增 强增韧的效果。但是并不是说，晶须、纤维含量越高越好， 当晶须、纤维含量较高时，由于其拱桥效应使致密化变得困 难，从而引起密度的下降，以致性能下降。
随着纳米技术的发展，使纳米氧化铝粉和纳米氧化锆粉的制备成为可能，从而为提高氧化铝基陶瓷材料的韧性开辟了一条新的途径。由于纳米陶瓷晶粒的细化、晶界数量的增 加，可使材料的强度、韧性大大增加。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高其强度和韧性，明 显改善其耐高温性能，而且能提高材料的硬度、弹性模量和 抗高温蠕变等性能。 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和很微结构 国家重点实验室的高濂等用化学共沉淀法制备了平均晶粒尺寸约20nm的Al2O3-ZrO2粒体。粉体在1000℃和200MPa下烧 结1h，平均晶粒尺寸可为50nm。
氧化铝自增韧是指通过合理选择成分及工艺，使一部分 氧化铝晶粒在烧结中原位发育成具有较高长径比的柱状晶 粒，从而获得晶须的一种增韧机制，也称为原位增韧。这种技术消除了基体相与增强相界面的不相容性，保证了基体相 与增强相的热力学稳定，并使界面干净，结合良好[17]。 近年来国内外学者对氧化铝陶瓷的自增韧进行了大量 的研究。上海硅酸盐研究所的吴仪权等[18]通过添加自备的 100％玻璃相的CAS（CaO- Al2O3-SiO2）玻璃粉，使CAS粉体 在烧结过程中形成非常有利于氧化铝晶粒异相生长的动力 学条件，引发氧化铝晶粒在某些方向上优势生长成棒晶。 2001年上海硅酸盐研究所的王欣等[19]通过TiO2添加和TiO2- MgO复合添加，无压烧结，结果都显示出有板状氧化铝晶粒 生成。2002年韩国的Kwon等[20]通过添加质量分数为0.05％ TiO2和0.05％SiO2，在1650℃下保温16h得到1500 μm 长、 100μm 厚的板状氧化铝晶粒。2004年匡诚忠等[21]又进一步 研究了Na2O-MgO系统添加剂对Al2O3陶瓷的显微结构和性 能的影响规律，原位合成Al2O3柱状晶，使陶瓷断裂韧性提高 至4.7MPa·m1/2。2005年董颖等[22]通过对原位生长ZrO2纳微 米纤维自增韧Al2O3基陶瓷的三点弯曲、单边切口梁与 Vickers压痕测试，发现陶瓷硬度、弯曲强度与断裂韧性在 ZrO2质量分数为35％时出现很大值。经SEM观察与XRD分 析，发现裂纹扩展主要受ZrO2- Al2O3基棒晶控制，诱发裂纹偏转增韧机制，并伴随着相变增韧机制。
另外，在氧化铝陶瓷中添加Fe-Al／氧化铝金属间化合 物、添加20％～40％TiC的黑瓷、添加金属(Cr、Co、Mo、W、 Ti等)，这些都集中了陶瓷和金属的优点掩盖了各自本身的弱 点，都可以属于氧化铝增韧陶瓷系列。 利用铝、镍、铬、铁、钛等韧性金属颗粒[23]作为粘结剂 增韧氧化铝陶瓷材料，通过金属的塑性来吸收外加负荷,其主 要增韧机理是增韧相和裂纹之间相互作用，导致裂纹移位或 在颗粒处发生偏转，消耗裂纹尖端的能量，达到增韧的目的。 增韧的效果与两相界面之间的结合强度有着密切关系。但金 属颗粒增韧的结果往往降低陶瓷材料的硬度和强度，导致材 料的介电性和热稳定性等也下降。为了克服金属颗粒带来的 缺陷，人们开始使用SiC、TiC等陶瓷颗粒增韧氧化铝[24]。通 过细化基体晶粒和裂纹屏蔽作用，耗散裂纹前进的动力，达 到增韧目的。尽管效果不如纤维和晶须，但工艺简便易行， 且成本低。只要颗粒的种类、大小、含量等参数选择适当， 增韧效果还是十分明显的。
近年来，国外有人提出，贝壳具有的层状结构可以产生 较大的韧性。因而我们除从组分设计上选择不同的材料体系 外，还从材料的宏观结构角度来考虑进行增韧研究。层状复 合陶瓷是一种仿生结构设计，模拟了自然界中贝壳、骨骼等 的微观组织结构，在脆性结构中，加入软质材料以达到增韧 的目的。层状复合陶瓷的增韧机制和传统上通过消除缺陷来 提高韧性的方法不同，它是一种能量耗散机制，其结构设计 将使强度与缺陷无关，成为一种耐缺陷材料。重庆大学陈蓓 等对单层和层状氧化锆陶瓷进行了力学性能测试和分析，提 出层状陶瓷断裂韧性的提高，主要是通过表面压应力对压痕 裂纹区应力强度因子的贡献、提高断裂相变量、强化相变增 韧效果、细化晶粒等几个方面来实现的[25，26]。 另外，控制显微结构，改变晶粒形状、粒径、晶界特性、气孔率等提高其断裂韧性；使用亚微细且各分布均匀氧化 铝；提高氧化铝分纯度，改善组织结构。这些都是增加氧化 铝陶瓷韧性的有效手段。
氧化铝增韧陶瓷技术在各种条件下已经得到了广泛的 研究，并有不少已投入了生产和使用。但仍然存在大量的问 题，如利用SiC晶须增韧、ZrO2相变增韧以及纳米材料增韧 虽可以收到较好的增韧效果，但均有不同程度的缺陷。晶须 增韧难以解决晶须毒性及其在基体中的均匀分布的问题；当 晶须含量过高时，陶瓷材料的致密化将变得困难。纤维增韧 要取得好的效果，必须使纤维在基体中充分浸渍且均匀布 排，但这在工艺上难以实现，纤维增韧的质量很难控制。ZrO2 在受应力作用下产生马氏体相变的相变增韧，其增韧效果随 温度升高急剧下降，颗粒增韧的效果有限。
鉴于氧化铝陶瓷实验研究遇见的问题及利于促进生产 的产业化、精密化，笔者认为今后需要着力加强的方面有：
(1) 通过分析与计算，研究高性能氧化铝基陶瓷材料的 组分、配比、微观结构及可能影响陶瓷材料性能的不利因素；
(2) 利用计算机辅助分析和数字图像处理技术，优化设 计精密结构陶瓷材料组分和微观结构，使传统的经验式设计 提高为理论指导下数字化设计；
(3) 加强纳米科技在氧化铝陶瓷增韧上的应用；
(4) 优化生产工艺，提高制造精度。