定向金属氧化法制备AlAl2O3陶瓷基复合材料研究现状
【精品文章】高纯氧化铝陶瓷的制备及应用简介
高纯氧化铝陶瓷的制备及应用简介
高纯氧化铝陶瓷是以高纯超细氧化铝粉体（晶相主要为α-Al2O3）为主要原料组成的重要陶瓷材料。
高纯氧化铝陶瓷因具有机械强度高、硬度大、耐高温、耐腐蚀等优良性能而受到人们的广泛关注。
1.高纯氧化铝陶瓷的制备
高纯氧化铝陶瓷的制备对原始粉体的要求较高，一般是以纯度＞99.99％晶相为α相的氧化铝粉为主要原料。
高纯超细氧化铝粉体的特征决定了最终制备高纯氧化铝陶瓷的性能。
在高纯氧化铝粉体的制备过程中，要求粉体的纯度高，颗粒尺寸小且分布均匀，粉体活性高，并且团聚程度低。
这样可在相对较低的温度下制得高纯氧化铝陶瓷。
因此，为制备高纯氧化铝陶瓷，首先要制备出高纯氧化铝粉体。
（一）高纯氧化铝粉体的制备
目前，高纯超细氧化铝粉体主要有改良拜耳法、氢氧化铝热分解法、沉淀法、活性高纯铝水解法等制备方法。
a．改良拜耳法
拜耳法是工业上常用的制备氧化铝粉体的方法。
利用该方法制备氧化铝的过程中，由于原料铝酸钠中含有大量的Si、Fe、K、Ti等杂质，使得制备的氧化铝粉体纯度有所降低。
在传统制备工艺的基础上，对铝酸钠及结晶后的氧化铝进行脱杂处理，制备了纯度相对较高的氧化铝粉体，这种方法即为改良拜耳法。
该方法所用的原料主要为铝酸钠，来源广泛，整个过程中不会产生污染。
但是由于其制备工艺相对复杂，导致氧化铝生产效率低，从而限制了。
氧化铝可行性研究报告范文
氧化铝可行性研究报告范文一、氧化铝的基本性质氧化铝的化学式为Al2O3，是一种无机化合物，具有白色结晶或无定形粉末状。
氧化铝具有较高的熔点（约2050°C）和较高的硬度，同时具有优异的绝缘性能和化学稳定性。
正是这些优良的性能，使得氧化铝在各种领域得到了广泛应用。
二、氧化铝的生产工艺氧化铝的生产主要是通过铝土矿（如赤铁矿、膨润土、氧化铝矿）进行熔炼和氧化得到的。
通常的生产工艺包括赤铁矿—氧化铝工艺、膨润土—氧化铝工艺等。
在生产过程中，铝土矿首先要进行破碎、粉碎和筛分，然后将其煅烧成铝酸盐，并通过高温还原反应制备氧化铝。
三、氧化铝的应用领域1. 陶瓷材料：以氧化铝为基础的陶瓷材料具有优异的耐高温性和耐腐蚀性，广泛应用于航天、冶金等领域。
2. 电子材料：氧化铝是一种优质的绝缘材料，可用于制作绝缘体或电子元件的绝缘层。
3. 涂料材料：氧化铝颜料具有优异的遮盖性和耐久性，是一种理想的涂料材料。
4. 磁性材料：氧化铝可以作为添加剂，改善其他材料的磁性能。
四、氧化铝的发展趋势随着科技的发展和工业的进步，氧化铝的应用范围将会不断扩大。
未来，氧化铝有望在航空航天、新能源、新材料等高新技术领域得到更广泛的应用。
同时，随着环保意识的提高，氧化铝的生产工艺也将得到进一步的改进，以减少对环境的污染。
五、结论通过对氧化铝的基本性质、生产工艺、应用领域和发展趋势的研究，可以得出在当前的条件下，氧化铝在工业生产中具有较高的可行性和广阔的应用前景。
然而，在实际应用中，还需不断改进相关的生产工艺和技术，以满足不同领域的需求，促进氧化铝产业的进一步发展。
六、参考文献1. 张三，李四. 氧化铝的应用与产业发展. 《材料科学与工程学报》, 2018.2. 王五，刘六. 氧化铝生产工艺的研究进展. 《化工科技》, 2019.3. 黄七，赵八. 氧化铝在陶瓷材料中的应用研究. 《陶瓷学报》, 2020.以上仅为本报告的部分内容，具体内容还可根据实际需要进行扩展和深入研究。
Al2O3-SiO2(sf)／AZ91D复合材料时效行为的研究
在 时效 硬化 过 程 中复
合材料 始终保 持 比 ＡＺ １ ９ Ｄ合金 高的硬 度 ， 而且随 着 Ａｌ 一 ｉ 纤维含 量 的增加 硬 度 随之 增加 ， ＳＯ 短 Ｏ。 时效硬
关 键词 ： 镁基 复合 材料 ； 酸铝短 纤 维 ； ９ Ｄ合 金 ； 硅 ＡＺ １ 时效 特性 中图分 类号 ： ６ ． ＴＧ １ ６ ４ 文献标 志码 ： Ａ
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料 的时效产 生重要 影 响 。 用 ＳＣ及 Ａｌ 。 ｉ 的颗粒 、 Ｏ 晶须或纤维增 强铝 、 镁合 金 而 获 得 的 复 合 材 料 的 时 效 特 性 近 年 来 有 所 报 道＿ 。采用 硅酸 铝 短纤 维 增 强铝 基 复 合材 料 的研 ７ 究 报道 较 多［－］ 但 Ａ 。ＳＯ 短纤 维增 强 ＡＺ １ １ｌ ， ｌ ￣ ｌＯ 一ｉ ２ ９Ｄ 镁 合金复合材料 的 时效 特性 在 国 内外 文 献 中还很 少 有报到 。本文 研究 了 Ａｌ － ｉ２ Ｓ０ 短纤 维增 强 ＡＺ １ Ｏ。 ９Ｄ 镁 基复合材料 在时 效过 程 中组织 的变 化 以及 时 效硬 化行为 。
镁基 复 合材料 的高 比强度 、 比刚度 和优 良 的铸 造 性能使 其 在航 空 、 车 等 领 域得 到 广 泛应 用 ］ 汽 。 目前镁基 复合 材料 中使 用的增 强物 有 ＳＣ颗粒 和 晶 ｉ
陶瓷基复合材料(CMC
(70-350MPa)
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第三节 陶瓷粉末的烧结
粉末状物料在压制成型后，含有大量气孔，颗粒 之间接触面积较小，强度也比较低。经过高温作 用后，坯体中颗粒相互烧结，界面逐渐扩大成为 晶界，最后数个晶粒结合在一起，产生再结晶与 聚集再结晶，使晶粒长大。气孔体积缩小，大部 分甚至全部从体坯中排出，体收缩而致密，强度 增加，成坚固整体。上述整个过程叫烧结过程。
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烧结作用力分析
表面张力产生的作用于ABCD表面上切线方向的力， 可由表面张力定义求出
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由表可以看出，曲面压力随颗粒半径之降低而 增加，随曲面圆内角θ之减小而降低，亦即随 烧结之进行而降低。所以颗粒越细，曲面压力 越大，颈部成长越快。颈部长大表面积减小， 表面能也降低。
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三、烧结机理
(一)颗粒的粘附作用
（7）氮化硅的电绝缘性也很好
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三、碳化硅陶瓷
由反应烧结法（α-SiC+C粉 烧结）和 热压烧结（SiC+促进剂）法制备 特点： 较高的高温强度 较高的热导率 较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和 抗蠕变性
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四、玻璃陶瓷
含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或 玻璃陶瓷。常用的玻璃陶瓷有锂铝硅 （Al2LOi23O-S-iAOl22O，3M-SAiOS)2两，L个AS体）系和。镁铝硅(MgO-
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模量
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断裂韧性
没有增强时，断裂韧性随温度升高而降低，有晶须 增强后，因纤维拔出，在高温随温度升高而增大 41
2.蠕变
在高温或高应力的作用下，玻璃发生粘性流动， 应变急剧增大 42
3．热冲击性（热震性)
金属基复合材料的研究进展
金属基复合材料，是在各金属材料基体内用多种不同复合工艺，加进增强体，以改进特定所需的机械物理性能。
金属基复合材料在比强度、比钢度、导电性、耐磨性、减震性、热膨胀等多种机械物理性能方面比同性材料优异得多。
因此，金属基复合材料在新兴高科技领域，宇航、航空、能源及民用机电工业、汽车、电机、电刷、仪器仪表中日益广泛应用。
１金属基复合材料发展史近代金属基复合材料的研究始于１９２４年Ｓｃｈｍｉｔ［１］关于铝／氧化铝粉末烧结的研究工作。
在３０年代，又出现了沉淀强化理论［２，３］，并在以后的几十年中得到了很快地发展。
到了６０年代，金属基复合材料已经发展成为复合材料的一个新的分支。
到了８０年代，日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞，从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了飞快地发展。
土耳其的Ｓ．Ｅｒｏｇｌｕ等用离子喷涂技术制得了ＮｉＣｒ－Ａｌ／ＭｇＯ－ＺｒＯ２功能梯度涂层。
目前，金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视，特别是航空航天部门推进系统使用的材料，其性能已经接近了极限。
因此，研制工作温度更高、比钢度、比强度大幅度增加的金属基复合材料，已经成为发展高性能材料的一个重要方向。
１９９０年美国在航天推进系统中形成了３２５０万美元的高级复合材料（主要为ＭＭＣ）市场，年平均增长率为１６％，远远高于高性能合金的年增长率［４］。
到２０００年，金属基复合材料的市场价值达到了１．５亿美元，国防／航空用金属基复合材料已占市场份额的８０％［５］。
预计到２００５年市场对金属基复合材料的需求量将达１６１ｔ，平均年增长率为４．４％。
２金属基复合材料的制造方法金属基复合材料的种类繁多，制造方法多样，但总体上可以归纳为４种生产方法。
２．１扩散法扩散法是将作为基本的金属粉末与裸露或有包覆层的纤维在一起压型和烧结，或在基体金属的薄箔之间置入增强剂进行冷压或热压制成金属基复合材料的方法［６］。
２．１．１扩散粘结法这种方法常用于粉末冶金工业。
陶瓷基复合材料
Ceramic-matrix
注意事项 ： （1）料浆应能与纤维表面保持良好润湿。料浆中包括：陶瓷基体粉末、 载液(通常是蒸馏水)和有机粘接剂，有时还加入某些促进剂和基体润湿 剂。为使纤维表面均匀粘附料浆，要求陶瓷粉体粒径小于纤维直径，并 能悬浮于载液和粘接剂混合的溶液中。 （2）纤维应选用容易分散的、捻数低的丝束，保持其表面清洁无污染。 在操作过程中尽量避免纤维损伤，并注意排除气泡。 （3）热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。在热压过程中， 将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最 终获得致密化的陶瓷基复合材料。很多陶瓷基复合材料体系在热压过程 中往往没有直接发生化学反应，主要通过系统表面能减少的驱动，使疏 松粉体熔结而致密化。 存在的问题： （1）纤维和陶瓷粉末不容易复合成型。 （2）烧结时由于基体收缩或热压烧结时无粘性流动，会使颗粒和纤维 之间的机械作用而损伤纤维。 （3）目前，直径小于0.1微米-1微米的粉末很难买到。并且，其中的夹 杂物不易排除。同时，细的粉末在制造复合材料过程中又不易分散。 （4）在热压时会损伤纤维结构。
Ceramic-matrix
注意事项：
（1）与高聚物先驱体转化法不同的是，溶胶—凝胶工艺的先驱体是在溶液浸 进纤维编织坯件后在原位合成的。 （2）采用溶胶—凝胶法制备复合材料可以先制备复合凝胶体，即将复合的各 相以原子或分子级进行均匀混合形成复合溶胶和凝胶化，得到高纯、超细、均 相、分子级或包裹式的复合陶瓷粉末，再经成型、烧结而形成复合材料的基体 或者通过控制溶剂的蒸发速度将复合的溶胶凝胶化后，直接烧结成陶瓷基复合 材料。 （3）如果第二相是粉末或纤维，则可浸在适当的溶液中，通过形核和成长， 使溶液形成溶胶，均匀包围粉末和纤维，经凝胶化处理和热解后即形成陶瓷基 复合材料的基体。 （4）溶胶—凝胶法制备陶瓷基复合材料的质量保证关键主要有：选择合适的 先驱体反应物，控制溶液的浓度和pH值、气氛、分散剂、选用胶溶剂、去除 团聚以及使各相处于良好的分散状态等。
粉末冶金铝合金的研究现状和发展趋势
粉末冶金铝合金的研究现状和发展趋势粉末冶金铝合金具有低密度、高比强、高耐磨性和耐腐蚀性的特点,表现出广阔的应用前景。
然而由于各种因素的影响,其开发利用远远落后于Fe、Cu系合金。
这些制约因素主要包括:①Al活性高,在快速凝固制粉的过程中,不可避免地形成一层致密的氧化膜,在压制和烧结过程中,这层氧化膜使合金元素的相互扩散受到阻碍,不利于其冶金粘结;②粉末价格高、缺少专有生产技术。
在这种情况下,研究粉末冶金铝合金的现状并指出其发展趋势,对于汽车工业用高效节能粉末冶金铝合金件的发展具有重要意义。
1.0.粉末冶金铝合金的发展历史：20世纪40年代,瑞士人IrmannR等用球磨机在控制氧含量的介质中研磨制成烧结铝粉(SAP),将铝粉与其他金属粉末的混合粉热压成棒状试样。
力学性能结果表明,这些合金有较高的高温强度,并且在高温下能保持原先的强度。
1952年美国铝业公司(Alcoa)开发了第一代烧结铝粉末冶金材料,它是一种Al-Al2O3弥散强化型合金,具有优异的高温强度和热稳定性。
1966年和1972年,Storchheims将液相烧结技术应用于粉末冶金,直接烧结而成粉末冶金铝合金零件。
合金主要有3类:2014、6061和7075,其强度范围为110～345MPa,具有密度低,切削性能好的优点,可与铜基和铁基粉末冶金零件相媲美。
20世纪70年代,通过快速凝固技术和机械合金化技术来制取合金粉末,促成了高性能粉末冶金铝合金的问世。
自这个时期以来,一些先进国家主要致力于研究新的热处理状态和开发快速凝固/粉末冶金工艺,发展粉末冶金铝合金。
到20世纪80年代末,粉末冶金铝合金得到快速发展。
美国、前苏联和日本等国家研制成功10多种牌号的粉末冶金结构铝合金和粉末冶金耐磨铝合金,并已投入小批量生产,开始在航空航天工业和汽车工业应用。
例如:日本采用快速凝固Al-Si合金粉末制造汽车发动机阀门弹簧座和连杆,质量分别减轻了60%和30%,使发动机速度大为提高。
氧化铝晶体生长与应用研究
氧化铝晶体生长与应用研究氧化铝（Al2O3）是一种广泛应用于工业领域的重要陶瓷材料，拥有良好的化学稳定性、机械强度和热稳定性，被广泛应用于磨料、陶瓷制品、电介质、高温热闪烁探测器、LED等领域。
为了制备高质量氧化铝材料，晶体生长过程显得尤为重要。
氧化铝晶体生长由于其特殊的晶体结构，往往比其他晶体生长难度大、工艺复杂，如何解决它的生长难题一直是晶体生长领域研究者们关注的问题。
近年来，众多学者引入了一系列生长方法和探索了各种制备策略来解决氧化铝晶体的制备难题。
方法一：高温坩埚法生长高温坩埚法生长是传统的氧化铝晶体生长方法，它采用氧化铝形成的玻璃粉末作为原料，该玻璃粉末具有高度纯度和热稳定性。
这种生长方法的过程中，将玻璃粉末加热到高温（通常在1600°C以上），使其熔融，同时对坩埚进行高温处理，使得氧化铝晶体可以通过等温结晶形成。
尽管高温坩埚法可以制备具有高纯度、高结晶度的氧化铝晶体，但是它无法制备出大尺寸晶体，生长速度缓慢，开发性较差，不利于现代化制造。
方法二：过饱和溶液法生长过饱和溶液法生长是一种近年来被广泛使用的氧化铝晶体生长方法，它利用高温下溶液中氧化铝的过饱和度，使氧化铝结晶形成。
过饱和溶液法生长首先需要将富含氧化铝的溶液（如氢氧化铝溶液）加热至温度高于氧化铝的饱和温度。
加入氧化铝的种子，促进晶体的核心生长。
降温时，晶体与母液之间的浓度差异使晶体继续生长。
该方法的优点在于可以获得高度纯度的大尺寸氧化铝晶体，速度较高，同时控制过程也相对较容易。
此外，该方法还可以通过改变一些实验参数来控制晶体的形态和尺寸。
方法三：固相反应法生长固相反应法是一种基于化学反应的氧化铝晶体生长方法，它使用氧化铝和其他化学物质（例如碳、铜等）作为原材料，生长晶体。
对于碳源反应法，其生长原理如下：当碳热解时，会产生充足的碳气体，它们将被加热的氧化铝粉末中的氧原子与形成的各种气体产生反应。
最终，气氛温度和反应产物的比例决定了氧化铝晶体的大小和形状。
无团聚纳米α-al2o3 粉体的制备方法
一、概述α-Al2O3是一种重要的陶瓷材料，在工业上被广泛应用于陶瓷、研磨材料、填料、催化剂和涂料等领域。
而纳米α-Al2O3粉体由于其特殊的物理化学性质，在高温、高压、高速度等条件下具有优异的性能，因此备受关注。
制备高质量的纳米α-Al2O3粉体对于其在应用中的性能至关重要。
二、传统方法1.煅烧法该方法是将稀土铝酸盐在适当的温度下进行煅烧，得到α-Al2O3粉体。
传统煅烧法制备的粉体晶粒度较大，且有一定的团聚现象，影响其性能和应用。
2.溶胶-凝胶法通过溶胶-凝胶法可以制备纳米级尺寸的Al(OH)3胶体，再经过煅烧得到纳米α-Al2O3粉体。
这种方法制备的α-Al2O3粉体晶粒细小，但在煅烧过程中容易发生团聚。
三、改进方法为了解决传统方法中存在的团聚问题，科研人员提出了一系列的改进方法，从原料选择、工艺优化等方面进行了努力。
1.原料选择选择优质的铝源和添加适量的助剂是制备高品质纳米α-Al2O3粉体的关键。
采用高纯度的氢氧化铝作为原料，并适量添加氧化铁、氧化钆等助剂，有助于抑制晶粒生长和减少团聚。
2.磁化处理通过磁化处理可以有效地防止粉体在煅烧过程中的团聚现象。
在溶胶-凝胶法制备的Al(OH)3胶体中引入磁性纳米颗粒，利用磁场对颗粒进行定向排列，减少团聚发生的可能。
3.机械合成机械合成方法是利用高能球磨设备对原料进行球磨，使颗粒发生变形、碰撞和破碎，从而实现粉体的微观形貌和结构的调控，有效降低粉体的团聚度。
四、先进技术近年来，随着纳米科技的发展，一些新的技术被应用于纳米α-Al2O3粉体的制备中。
1.超声波处理超声波处理技术是利用超声波的机械作用和热效应，能够有效地破碎颗粒团聚，提高粉体的分散度和均匀性。
通过超声波处理，可以制备出具有高比表面积和均匀粒径分布的纳米α-Al2O3粉体。
2.微波辅助合成微波辅助合成技术在纳米α-Al2O3粉体制备中具有很好的应用前景。
微波加热具有快速、均匀、高效的特点，能够在较短时间内完成煅烧反应，得到粒径均一、晶型良好的纳米α-Al2O3粉体。
粉末冶金法制备铝基复合材料的研究
粉末冶金法制备铝基复合材料的研究一、本文概述本文旨在探讨粉末冶金法制备铝基复合材料的工艺过程、性能特点及其应用前景。
铝基复合材料作为一种新型的高性能材料，以其轻质、高强、耐磨、抗腐蚀等特性在航空航天、汽车制造、电子信息等领域具有广泛的应用价值。
粉末冶金法作为一种制备铝基复合材料的常用方法，具有工艺简单、成本低廉、材料利用率高等优点，因此受到了广泛的关注和研究。
本文首先介绍了铝基复合材料的基本概念和分类，概述了粉末冶金法制备铝基复合材料的原理和方法。
接着，详细分析了粉末冶金法制备过程中影响铝基复合材料性能的关键因素，包括粉末的选择、复合剂的添加、成型工艺、烧结工艺等。
在此基础上，本文进一步探讨了粉末冶金法制备铝基复合材料的性能特点，如力学性能、热学性能、电磁性能等，并分析了其在实际应用中的潜力和挑战。
本文总结了粉末冶金法制备铝基复合材料的研究现状和发展趋势，提出了未来研究的重点和方向。
通过本文的研究，旨在为铝基复合材料的制备和应用提供理论支持和实践指导，推动铝基复合材料在更多领域的应用和发展。
二、铝基复合材料的理论基础铝基复合材料作为一种先进的轻质高强材料，其理论基础主要建立在金属学、材料科学、复合材料力学以及粉末冶金学等多个学科的基础上。
铝基复合材料以其低密度、高比强度、良好的导热和导电性、出色的抗腐蚀性以及优异的可加工性而广受关注。
铝基复合材料的性能提升主要得益于增强相的选择与加入。
增强相可以是颗粒状、纤维状或晶须状，其种类和性能直接影响复合材料的力学、热学、电磁等性能。
常见的增强相包括SiC、Al₂O₃、TiC等陶瓷颗粒，以及碳纤维、玻璃纤维等。
这些增强相在铝基体中通过阻碍位错运动、提高基体强度等方式，显著提升了复合材料的综合性能。
铝基复合材料的制备工艺对其性能有着至关重要的影响。
粉末冶金法作为一种重要的制备工艺，通过控制粉末的粒度、形貌、分布以及烧结过程中的温度、压力等参数，可以实现对复合材料微观结构和性能的精确调控。
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http://www.paper.edu.cn 定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料研究现状 金胜利* 李亚伟 武汉科技大学高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室，武汉 430081 摘要： 本文回顾了国内外在定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料方面的研究成果，详细讨论了合金
成分、外敷剂、温度和气氛以及预形体对其反应机理和显微结构的影响，指出了今后定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷材料的研究重点和发展方向。
关键词： 定向金属氧化法；Al/Al2O3复合材料； 综述
1. 前言 氧化铝(Al2O3)陶瓷材料具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良
性能，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。但是与其他陶瓷材料一样，该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点，使得目前Al2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命还是受到了相
当大的限制。改善氧化铝陶瓷材料的脆性的方法很多，如提高材料的密度、纯度、晶体完整性以及改变晶形、晶粒尺寸、晶界状况等，或通过微裂纹韧化、ZrO2相变增韧、颗粒弥散、纤维
增韧等方法[1]。其中，近年来，在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的Al/Al2O3陶瓷基复合材料是
一个非常活跃的研究领域，其制备工艺主要有烧结[2]、熔体浸渍[3]、定向金属氧化法[4]三种。由
于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成Al2O3钝化膜，使Al粉和Al2O3颗粒之间表现出很差的润
湿性，导致烧结法制备Al/Al2O3陶瓷材料烧结困难，影响复合材料的机械性能[5]。挤压铸造和气
压浸渍工艺浸渍速度快，但是预制体中的细小空隙很难进一步填充[6]，而后发展的无压渗透工
艺操作复杂，助渗剂的选择随意，且作用机理复杂，反而增加了工艺控制难度[7]。
八十年代初，美国Lanxide公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺—定向金属氧化技术（Directed Metal Oxidation，简称DMOX）[8]。DMOX工艺是在高温下利用一定阻生剂限制金
属熔体在其它5个方向的生长，使金属熔体与氧化剂反应且只向上单向生长即定向氧化。采用该方法制备的Al/Al2O3陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的α-Al2O3基体和三维网状连通
的残余金属和不连续的金属组成，由于Al2O3晶间纯净，骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的
同类材料的强度[9]，同时，三维连通的金属铝具有良好的塑性，从而使该复合材料具有更为良
好的综合机械性能。 本文重点就合金成分、外敷剂、温度和气氛以及预形体对定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶
瓷材料的影响进行了综述。
2. Mg、Si合金成分的影响 众所周知，在空气环境下金属铝液极容易氧化而在其表面生成一层氧化铝钝化膜，阻止了铝
本课题得到国家自然科学基金（50572076），高等学校博士学科点专项科研基金（20040488001）资助 1http://www.paper.edu.cn 液与氧的进一步反应，如果要使金属铝能够持续氧化，必须引入合金成分来破坏该钝化膜，促进金属铝液与氧化铝之间的润湿程度。A. Banerji[9]推测，这些起改善润湿作用的合金成分可能
降低液体表面张力或固液界面能，促进固液界面反应。1966年S. M. Wolf[10]等发现在铝液中添
加金属Mg能够有效降低Al-Al2O3的接触角，随后金属Mg在定向氧化铝合金中被广泛采用。D. A.
Weirauch [11]通过观察和测量Al-Mg合金液对Al2O3、MgAl2O4和氧化镁的接触角，理论计算出
Al(L)-Al2O3(S)界面能为1688ergs/cm2。然而液相穿过晶界必须满足条件GSL晶
界界面能为1257 ergs/cm2[13]，这进一步证实了A. Banerji的推测。
Mg在铝合金中的浓度及其扩散速度影响着定向氧化制备过程中的物相变化和反应阶段。虽然J. G. Lindsay等[14]在实验过程中没有观察到Al-Mg合金熔液与方镁石或镁铝尖晶石的共存现
象，但D. A. Weirauch [11]和O. Salas [15]却通过热力学计算并且实验证实，在一定的氧分压下，当
Mg的含量低于某一个值（1100℃为0.4wt.％Mg）时，Al-Mg合金熔液就能与刚玉相保持平衡，一旦高于该值便出现尖晶石相；当Mg含量更高时（1100℃7.24wt.％），方镁石相与Al-Mg合金熔液才能热力学稳定。且温度升高，Al-Mg合金熔液与各固体相稳定共存的Mg临界含量范围变宽[16]。Manfred Sindel等[17]却认为在1150℃下Al-Mg合金熔液与尖晶石相稳定共存所需的Mg含量
为0.1wt.％。而在实际实验中发现[18]，即使合金中只含有3wt.%Mg，仍能在试样表面形成新的
方镁石相。这可能涉及到Mg2+，Al3+的外扩散和O2-的内扩散，尤以Mg2+，Al3+的外扩散为主和
金属Mg挥发氧化两个过程。K. C. Vlash等[19]证实了上述机理的存在，他们发现在处理后的试样
表面有白色和黑色方镁石相覆盖在尖晶石相层上面，其中白色颗粒是由金属Mg挥发氧化而来，其与尖晶石相无紧密结合；黑色颗粒则是Mg2+从尖晶石相中扩散出来的产物，其与尖晶石结合
相当致密。实验进一步证实在反应过程中Mg2+的外扩散和挥发氧化控制着定向氧化的早期阶段：
如Mg2+、Al3+和O2-在MgAl2O4或MgO里的扩散系数低[20,21]，使反应受到限制，从而导致孕育期
出现[22]；而Mg2+的扩散速度比Al3+[23,24]，最终出现MgO/MgAl2O4层。在反应表面形成的MgO或
MgAl2O4控制着Mg2+的扩散，形成非保护性层而不至于使反应中止，促进了熔融金属的持续氧
化。一旦局部Mg含量降低到刚玉相与Al-Mg合金熔液稳定共存的临界镁含量，Al2O3就会成为主
要反应产物[25]。
Al/Al2O3复合材料连续氧化生长过程中铝熔体的输送成为研究的关键问题。M. S. Newkirk
最先提出了一个推测性的微观通道模型[4]，认为在生成的刚玉相中存在一些金属微观通道，在
毛细管力作用下，铝合金熔体沿着这些通道源源不断地运动到反应前沿，持续快速氧化形成新的刚玉相。然而，Tarasakar Debroy [16]认为控制反应速度的是离子扩散而不是毛细管力作用。尽
管在铝熔体的传输控制上尚存在分歧，但合金成分Mg在定向氧化制备Al2O3/Al复合材料的宏观
行为基本上取得了一致认同。按照Mg参与反应的历程可以分为如下几个阶段[26]：1）镁首先挥
发并被氧化，在试样表面生成一层薄的氧化镁，破坏表面的钝化氧化铝膜；（2）亚稳层氧化镁不久与熔融Al合金接触反应生成尖晶石层，释放出的Mg2+重新在表面与氧气反应生成氧化镁层。
2http://www.paper.edu.cn 由于尖晶石层和氧化镁的体积摩尔比不同而导致微裂纹，多孔尖晶石层成为金属传输的通道；（3）铝液在毛细管力的作用下向上传输，并与表层氧化镁接触，反应生成氧化铝，Mg2+被还原
出来，与空气中的O2-结合又重新生成氧化镁；（4）氧化铝进一步粗晶化，形成氧化铝层带。在
反应渗透过程中，有些Mg2+来不及挥发，包裹在体内，导致局部尖晶石的富集并覆盖在氧化铝
层上；（5）该层直接与合金接触继续反应释放出Mg2+，尖晶石层变薄，氧化铝继续生长。当主
要的尖晶石层消耗完后，反应从第3步骤重新开始，这就使得反应能循环进行。 在研究过程中，发现其它具有高蒸气压的金属如Zn，也能起到激发反应的作用。尽管有研究认为只有在添加Mg的情况下，Al-Zn合金才能氧化生长[17]，但是Murali Hanabe等[27] 在1100
℃下采用定向氧化Al-Zn合金制备Al/Al2O3材料时发现，由于Zn蒸气压值相对比较小（1100℃约
为0.1atm），不足以完全破坏表面钝化膜，当Zn合金浓度达到一定值时，Zn蒸气通过氧化膜的气孔或由于熔液与氧化铝之间热膨胀性不一致引起的裂纹逃逸出去[28]，所以Zn含量为1％时没
有任何Al2O3生长迹象，而在Al 合金中引入5％的Zn后却能促进试样显著氧化生长。逃逸出来
的蒸气大部分在试样表面被重新氧化生成ZnO，进一步与传输上来的铝液生反应生成Al2O3和
Zn，Zn再次挥发在反应前沿氧化成ZnO，如此循环。与Al-Mg合金不同的是，Al-Zn合金的定向氧化不存在孕育期，一旦表面生成ZnO，增重速率增加，直到试样表面出现连续的ZnO层。由于Zn的挥发，导致反应前沿的Zn含量降低，故在反应后期增重速率趋于缓慢。除此之外，在Al-Zn合金的产物中，发现在ZnO/Al2O3层之间分布着金属Al，这与Al-Mg合金产物的
MgO/MgAl2O4/Al2O3结构有显著不同，具体原因尚未有研究报道。
尽管在材料制备过程中，不添加金属Si的铝合金熔液也能出现定向氧化生长[9]，但铝合金熔
液具有一定粘度，研究发现IVA族的Si、Ge、Sn、Pb可以改善其对陶瓷材料的润湿性，目前广泛采用的是Si[4]。在反应过程中，大部分Si残留在母合金残骸中，少量的Si均匀分布在整个反应
产物内部, 这与金属Mg主要富集在金属通道中的分布不同[29]。虽然金属Si的引入改变了反应速
度[17]，但其含量增加导致产物内部气孔率和金属铝含量也显著增加[30]。总的来说，金属硅在定
向氧化法制备Al/Al2O3材料的可能作用机理主要集中在如下几个方面：1）降低熔液与氧化物的
润湿角，提高液相的润湿程度，尤其对于Al-Mg合金来说，降低其表面张力[11, 31]；2）影响氧在
液相中的传输[29]；3）控制镁的活度并促进反应前沿的氧化镁和镁铝尖晶石溶解转化[15, 19]。
3. 温度与气氛的影响 热处理温度影响着定向氧化制备Al/Al2O3材料的生长速率和反应阶段。K. C. Vlash等[19]研究
发现在低于1000℃和高于1350℃时，生长速度会降低，而镁会完全转化为镁铝尖晶石，这说明处理温度过低和过高影响到Mg的扩散与挥发程度，最终导致熔体渗透动力不足，不利于Al2O3的
生长。而在1000℃~1350℃之间，有一个由离子扩散控制的孕育期，随着合金表面的多相氧化物的生成，Al开始大量氧化，其生长速率与exp(-32458/T)成正比，活化能约为270KJ/mol。周曦 3