4.5.1 氧化铝陶瓷质晶须
4.5.1.1 氧化铝陶瓷质晶须性能及应用
普通氧化铝或相对纯的氧化铝陶瓷通常是白色的，以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料具有优异的性能，是氧化物中最稳定的物质，如机械强度高、导热性好、绝缘电阻高、介电损耗小、随温度和频率变化的电性能稳定等，并且易于制造，因此被广泛用作半导体或电绝缘材料；此外，氧化铝材料的莫氏硬度为9，仅次于金刚石等材料，因此所生产的陶瓷具有较好的硬度和强度。它在航空航天、航空、纺织、建筑等领域有着广阔的应用前景，具体应用主要有：
1）在陶瓷结构件和生物医学领域的应用
氧化铝陶瓷是通过烧结氧化铝材料制成的。与普通金属零件相比，氧化铝陶瓷具有更高的硬度和强度、更好的耐磨性、更好的稳定性、更高的熔点（高达2 054℃）、优良的生物相容性等，是目前制备成本相对较低的主要新陶瓷品种。与普通钢结构件相比，由陶瓷结构件制成的陶瓷结构件在耐磨性上也有质的飞跃，耐磨性比钢结构件高达几千倍。氧化铝陶瓷不与强酸和强碱反应，具有良好的生物相容性，可直接应用于人体和其他生物体。
2）在电子行业的应用
电子元件的小型化和高集成度的发展离不开电子陶瓷的支撑。氧化铝陶瓷不仅具有陶瓷材料的高强度、耐热性、抗热震性、耐腐蚀性等性能，而且还具有高绝缘、低介电损耗、电性能稳定等优异的电性能。此外，氧化铝原料资源丰富，价格适中，生产工艺成熟。因此，氧化铝陶瓷广泛用于多层布线陶瓷基板、电子封装和高密度封装基板。
3）用作耐磨材料
数据显示，耐磨陶瓷的寿命是铸石、耐磨合金铸钢、钢塑料、钢橡胶等材料的10～20倍。其中耐磨氧化铝陶瓷衬片具有以下特点：良好耐磨的氧化铝陶瓷片表面平整、光滑、不粗糙、无黑斑、颜色均匀均；硬度大，洛氏硬度可达HRA 80～90；在压力为4.0 kg/cm2、距离为50 mm、喷射角度为45℃的条件下，用喷砂机在60 min内测量磨损性，其耐磨性优于锰钢和高铬铸铁，可延长设备使用寿命10倍以上；具有较高的机械强度、良好的相容性和完整性；由无机非金属材料制成，不会污染环境；具有良好的韧性和抗震性能，断裂韧性强，能有效防止冲击力造成的损伤和剥落；质量很轻，密度为3.65 g/cm2，可大大减轻设备的负荷。耐磨氧化铝陶瓷衬片与设备结合牢固，耐热性好，能在350℃下长期运行而不老化；磨氧化铝陶瓷衬片可作为电力、冶金、煤炭、石油、水泥、化工、机械等行业（如灰渣、粉煤、矿粉、尾矿、水泥等）材料输送设备表面的理想耐磨材料，在高温腐蚀、高温磨损或高温熔融腐蚀的场合使用非常安全可靠。
4）用作为火电厂和风力发电设备的风机叶轮
风机叶轮用氧化铝陶瓷片是通过高温煅烧氧化铝形成的。它具有耐磨性好、耐腐蚀、耐冲击、硬度高等优点，从而对风机叶轮起到保护作用。
在火力发电厂中，煤粉输送、脱硫和除尘系统由风机提供动力。风扇的高速旋转导致含尘两相颗粒的气流相对于气流移动。风扇叶轮叶片上硬两相颗粒的碰撞和相对运动导致冲蚀磨损。过去，火力发电企业普遍采用传统的耐磨方法，如耐磨堆焊和热喷涂，效果不理想。将氧化铝陶瓷砖应用到风机叶轮上，具有良好的耐磨性能，且质量轻，施工方便，从而减轻了叶轮的总质量，使风机叶轮的耐磨性大大提高，延长了风机主轴承的使用寿命。而且氧化铝陶瓷板的结构非常简单，首先对风机叶轮进行清洗和抛光，然后用耐磨陶瓷胶将氧化铝陶瓷片粘贴在风机叶轮上，并依次粘贴所有风机叶轮。
5）在汽车工业领域的应用
氧化铝陶瓷基板具有优异的综合性能，是汽车工业领域非常重要的材料，可减轻汽车质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、延长易损件使用寿命，在汽车轻量化、低成本、智能化、经济性和可靠性的应用越来越广泛。在汽车工业领域的主要应用如下：
（1）氧化铝陶瓷基板在汽车发动机中的应用，可以将柴油发动机的油耗降低30%以上，对于提高汽车性能、降低油耗和减少废气污染具有极其重要的价值。
（2）氧化铝陶瓷在柴油发动机隔热中的应用。目前汽油发动机中大约78%的燃烧能量是在热能和热传递中损失的。柴油发动机的热效率为33%，比汽油发动机优越得多，但是损失了60%以上的热能。因此，为了减少这部分损失，燃烧室周围用隔热性能好的陶瓷材料进行隔热，然后用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收废气能量。试验证明热效率可提高到48%。与此同时，由于氧化铝陶瓷基板的使用，柴油机将有可能在瞬间快速启动。
（3）氧化铝陶瓷在汽车传感器中的应用，汽车用传感器长时间适用于特有的恶劣环境（高温、低温、振动、加速度、湿度、噪声、废气），并且它们应该小而轻、可重复使用性好、输出范围宽。近年来，氧化铝陶瓷基板耐热、耐腐蚀、耐磨，其潜在的优异电磁和光学功能得到了充分利用。由氧化铝陶瓷材料制成的传感器完全可以满足上述要求。
（4）氧化铝陶瓷基板在汽车减震器中的应用，高档汽车减震装置是综合利用氧化铝陶瓷的正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减震器。由于使用了高灵敏度的氧化铝陶瓷元件，减震器具有识别路面和自我调节的功能，可以将路面不平引起的震动降至最低。
4.5.1.2 氧化铝陶瓷质晶须制备及改性
1）常规制备方法(https://www.daowen.com)
氧化铝陶瓷的生产与传统陶瓷的生产有一些共同之处，氧化铝陶瓷材料的氧化铝主要指标如下：氧化铝纯度、各种杂质的含量、转化率、粉末的扁平均粒径、粉末的总体粒度分布、粉末的初级晶体尺寸、比表面积、生胚密度、烧结密度、收缩率等。
目前，中国市场上主要的氧化铝陶瓷成型工艺有：干压成型、等静压成型、热压铸成型、注射成型、灌浆成型、流延成型等。根据不同的成型工艺，粉末应事先进行处理，如干压、等静压、先制粒，注射成型应先制成浆料。制备条件为：良好的氧化铝陶瓷烧结体系，良好的烧结体系可以获得密度更高、孔隙率更低、力学性能更强的陶瓷，良好的升温曲线可以清除坯体中的胶和水而不会过度烧成，还可以缩短烧成时间。
2）黑氧化铝“着色机理”
氧化铝陶瓷制作的半导体集成电路往往具有明显的光敏性。“黑氧化铝”被用于电子技术，除了基本的物理机械性能和化学稳定性外，还需降低其透光率，减少光对集成电路的不利影响。物质的特殊颜色是由它对可见光的选择性吸收造成的，如果这种物质吸收可见光范围内的所有波长的光，这种物质就会呈现黑色。黑氧化铝“着色机理”物质的特殊颜色是由它对可见光的选择性吸收造成的。如果这种物质吸收可见光范围内的所有波长的光，这种物质就会呈现黑色。氧化物离子的颜色不仅与其价态有关，还与其配位环境有关。有色氧化物可能以三种方式存在于黑色氧化铝陶瓷中：一种是在α-Al2O3晶格中的固溶体，第二种溶解在晶界玻璃相中，第三种是各种有色氧化物相互作用形成尖晶石相。其中，尖晶石结构具有结构稳定性高、化学稳定性好的特点。当有色氧化物离子以尖晶石结构存在时，它们的价态和配位环境最稳定，颜色稳定性也最好。
3）通过加入第二相来实现改进微观结构
氧化铝陶瓷作为结构陶瓷，由于具有优良的化学稳定性、良好的力学性能、抗氧化性以及较低的生产成本等优点而被极度关注。然而，其固有的低断裂韧性对于它的广泛应用是一个限制因素。众所周知，通过先进的烧结技术能够改进微观结构。例如，放电等离子烧结（SPS）能够提高强度、硬度和一定程度的断裂韧性。其他有效的方法是通过加入第二相来实现改进微观结构的目的。有几种第二相，可以是颗粒或者是晶须/纤维，例如SiC颗粒-氧化铝、SiC晶须-氧化铝、TaC晶须-氧化铝、CNT/Al2O3[1]、BN-Al2O3、金属-Al2O3，这些第二相添加物已经用于制备氧化铝基复合材料。据报道，在氧化铝基质中加入SiC颗粒或SiC晶须，通过将纯氧化铝多晶中的晶间断裂模式转变为氧化铝基复合材料中的晶间-穿晶混合模式来提高硬度和断裂韧性。此外，最新的研究表明，碳纳米管也是提高氧化铝陶瓷断裂韧性和屈服强度的有效添加剂，但硬度一般是降低的。
4）用氧化铝晶须强化氧化铝陶瓷来增强抗氧化性能
在许多高温结构应用中，要求氧化铝基复合材料具有较高的抗氧化性能，非氧化物第二相（SiC、CNT或金属）的主要缺点是在空气中的高温力学性能退化。而且，CNT/Al2O3陶瓷等氧化铝基复合材料中氧化铝颗粒与第二相的结合特性仍不确定，严重依赖于制备工艺。实际上，键合特点能影响相关的力学性能。由SiC晶须或者碳纳米管强化的氧化铝陶瓷断裂韧性的提高，确认了对于强化氧化铝陶瓷来说晶须是有前景的候选材料。为了克服非氧化物添加剂的缺点，采用氧化铝晶须/纤维是一种合适的替代方法，这种晶须/纤维显然不能氧化，而且与基体不相容。意外的是，用氧化铝晶须强化氧化铝陶瓷一直没有被研究。幸运的是，氧化铝晶须可以用气-液-固沉淀（VLS）技术制备，它在工业领域是以成本竞争力被采用的。除此之外，Al2O3早已通过放电等离子烧结（SPS）成功地实现致密化，并且在此基础上，对限制晶粒生长和提高硬度的SPS环境进行了系统的研究。因此，利用SPS技术的优势制备晶须强化的氧化铝陶瓷以提高力学性能的做法是合理的。
以SPS法制备的氧化铝晶须强化氧化铝陶瓷，添加3% Al2O3晶须的复合材料可获得相对密度为99%、晶粒尺寸为0.450μm的细晶氧化铝陶瓷。对于添加10%晶须的氧化铝复合材料，通过选择合适的SPS温度（分别为1300℃和1 400℃）和保压时间3 min，可获得大于96%的相对密度和约0.440μm的晶粒尺寸，表4.7列出了不同SPS条件下烧结体的相对密度、平均晶粒尺寸和粒度分布结果。
表4.7 SPS法制备AW00、AW03、AW10氧化铝基陶瓷的工艺条件和显微结构特征
5）最新制备方法研究
清华大学谢志鹏的专利（CN101182193B）公开了一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法，具体工艺为：①纳米铝粉及高纯氧化铝粉为初始原料，混合均匀；②将混合后的浆料干燥、研磨成粉体；③获得的粉体成形为坯体；将坯体直接在普通的空气烧结炉中烧结，得到氧化铝陶瓷材料。
山东博润工业技术股份有限公司的陈兵的发明专利（CN201310351571）公开了氧化铝陶瓷材料的制备方法，其原料和工艺如下：①氧化铝粉90.50%～93.25%，高岭土3.92%～5.02%，轻质碳酸钙0.13%～1.57%，碳酸镁2.42%～3.97%。将水、分散剂和黏结剂球磨后干燥并研磨得到粉体；②粉体过筛，除铁后加入脱模剂混合均匀，然后压制成坯体；③坯体高温烧结，即得。本发明参数可控性强，烧结温度低，可重复性高，能耗低，生产成本低，制得的产品一致性好，耐磨性和稳定性高。
广东工业大学孟凡2017年公开了一种高长径比氧化铝晶须强韧化Ce-TZP复相陶瓷的制备方法发明专利（CN201710471191.3），制备方法包括：①将水、聚乙二醇和2-氨基-2-甲基-1-丙醇混合后，调节pH至10～11，再和Al2O3晶须混合，在超声和搅拌的条件下，球磨得到Al2O3晶须浆料；②在超声和搅拌的条件下，将Ce-TZP粉体和Al2O3晶须浆料混合，得到复相混合浆料；③将复相混合浆料球磨，调节pH至10～11，再依次进行搅拌，干燥和过筛，得到复合陶瓷粉体，将复合陶瓷粉体干压、冷压成型，得到生坯；④将生坯烧结，得到Al2O3晶须强韧化Ce-TZP复相陶瓷。该方法通过无压烧结实现复相陶瓷的完全致密，使其具有致密且均匀的显微结构，及较高的强度和韧性。
云南电网有限责任公司电力科学研究院的何顺2017年公开了一种用于抑制VFTO的氧化铝晶须绝缘子的制作方法，该绝缘子包括：中心嵌件、氧化铝晶须绝缘区、爬电区和固定法兰，其中，中心嵌件设置于一空心锥体的顶端，所述锥体靠近中心嵌件的一端为所述氧化铝晶须绝缘区，其余部分为所述爬电区，爬电区的底部与固定法兰相连接。该氧化铝晶须绝缘区中的氧化铝晶须和基体之间形成了大量的接触界面，当有外加的VFTO作用于绝缘子表面时，该接触界面可以提高VFTO的折返次数，限制VFTO在盆式绝缘子中的传播，抑制其在盆式绝缘子表面形成法向电场分布，从而当VFTO波出现时，大大降低绝缘子侧壁上的电荷积聚，保持绝缘子的可靠性。
梁媛媛2018年公开了放电等离子烧结（SPS）对Al2O3晶须增强氧化铝陶瓷致密化方法的研究，以获得细晶微观结构为目的，研究了晶须的加入对其常温力学性能的影响，从中发现添加晶须阻碍颗粒重排，显著地阻止了Al2O3的烧结行为。此外由于晶须网状结构较强的刚性边界，使得氧化铝基质颗粒的内应力降低。然而，在适宜的SPS环境下，当Al2O3晶须含量在3%～10%时能够获得几乎完全致密的细晶氧化铝陶瓷，加入3%Al2O3晶须的氧化铝陶瓷硬度与纯氧化铝陶瓷（约26 GPa）相当，它的断裂韧性（5.6 MPa/m2）高于纯氧化铝陶瓷（4.2 MPa/m2）。研究结果表明，均匀分散的晶须和拔出晶须后的裂纹桥联被确认是主要的增韧机理。
江苏金石研磨有限公司的王俊甫等2019年公开了一种原位生长氧化铝晶须增强补韧锆铝复合陶瓷材料及其制备方法与流程发明专利，主要包括：以机械法加工的亚微米α-氧化铝和单斜氧化锆为基体的复合材料，掺杂稀土添加剂和少量Ca-Mg-Zn-Si体系助烧剂组成的锆铝复合陶瓷材料，通过磨料、干燥、陈腐、成型和烧成等工艺制成，本发明烧成温度低、能够避免外添加纤维或晶须带来的分散不均匀问题，以及相界面结合度差问题。
俄罗斯国立核能研究大学莫斯科工程物理学院、莫斯科国立测量与制图大学、俄科学院结构宏观动力学与材料学研究所、俄科学院巴依科夫冶金与材料学研究所的科学家团队，成功研制出一种制备透明氮氧化铝陶瓷的新方法，相关论文已发表于《材料科学与工程》物理学会期刊，在制备透明氮氧化铝陶瓷中采用的方法主要基于等离子火焰烧结法，新颖之处在于研究人员不是通过额外的加热器来加热氮氧化铝粉末，而是通过向冲压模具主体及冲压头释放脉冲电流来加热原料。这种方法的优点在于能够迅速加热氮氧化铝粉末，从而缩短制备周期。