氧化鋁陶瓷材料作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、耐磨損、強(qiáng)度高、硬度高等許多優(yōu)異的性能，但其固有的脆性特征制約了其進(jìn)一步發(fā)展和大規(guī)模工程應(yīng)用．層狀復(fù)合材料的出現(xiàn)為陶瓷的增韌提供了一條新的途徑，在過去的30多年，層狀復(fù)合材料得到了越來越多的關(guān)注［1-3］．目前，主要研究的陶瓷基層狀復(fù)合材料體系有陶瓷/陶瓷［4-6］、陶瓷/金屬［7-8］和陶瓷/有機(jī)復(fù)合材料［9-10］體系．各種體系在制備工藝、補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)制、潛在使用范圍等方面都具有較大的差異．陶瓷/陶瓷層狀復(fù)合材料和陶瓷/金屬層狀復(fù)合材料通常采用預(yù)制層疊放成形［11］、干粉分層敷放成形［12］、基片涂覆漿成形［13-14］等方法成形，然后經(jīng)熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)制備，陶瓷/陶瓷層狀復(fù)合材料主要通過引入弱結(jié)合層、層內(nèi)應(yīng)力等手段引起層間剝離、裂紋偏轉(zhuǎn)、分支等來達(dá)到韌化效果;陶瓷/金屬層狀復(fù)合材料主要通過金屬夾層的塑性變形引起裂紋在夾層界面鈍化、捕獲、橋連等，從而發(fā)生多裂紋斷裂，提高層狀復(fù)合材料的斷裂韌性和斷裂功．由于陶瓷/陶瓷層狀復(fù)合材料和陶瓷/金屬層狀復(fù)合材料采用的材料通常都能承受較高的溫度，而且通常在高溫、高壓等條件下制備，因而可在較高的溫度下使用．陶瓷/有機(jī)復(fù)合材料體系由于引入了高分子材料作為夾層材料，因此不可能采用高溫?zé)Y(jié)的方法來制備，而是通過常溫或者低溫?zé)崽幚硎垢叻肿硬牧瞎袒?，若在有機(jī)夾層中引入纖維或織物復(fù)合材料，則在層狀復(fù)合材料斷裂時(shí)會(huì)發(fā)生纖維斷裂、纖維拔出，從而增大層狀復(fù)合材料的斷裂功．有機(jī)成分的使用也限制了其層狀復(fù)合材料只能在常溫或者較低溫度范圍內(nèi)使用．

在前期工作中，筆者曾采用絲網(wǎng)印刷法在氧化鋁基片上刷涂金屬鋁漿料，然后經(jīng)疊層熱處理制備了Al2O3/Al層狀復(fù)合陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)熱處理后的夾層存在許多缺陷［13-14］;而采用氧化鋁片和鋁薄片交替疊層后熱壓制備的Al2O3/Al層狀復(fù)合陶瓷材料夾層厚度較薄且不可控［15］．文中結(jié)合陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)樹脂材料的各自特點(diǎn)，采用環(huán)氧樹脂膠粘劑將氧化鋁片和鋁薄片逐層粘接，并通過常溫模壓方法，利用它們的協(xié)同作用制備了一種混合層狀復(fù)合材料，同時(shí)對(duì)該層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試和分析．

 1·實(shí)驗(yàn)

 1．1實(shí)驗(yàn)材料

 以環(huán)氧樹脂膠粘劑為粘結(jié)劑，采用模壓的方法制備了Al2O3/Al層狀復(fù)合材料．基體材料氧化鋁基片購自珠?；浛凭┤A電子陶瓷有限公司，尺寸為70mm×60mm×0．635mm．鋁薄片作為層狀復(fù)合材料的延性夾層，厚度為0．1mm．氧化鋁基片和鋁薄片的具體規(guī)格參數(shù)詳見文獻(xiàn)［15］．環(huán)氧樹脂雙組分膠粘劑購自南寶樹脂有限公司，主要成分為環(huán)氧樹脂和聚酰胺固化劑．

      為了選擇合適的環(huán)氧樹脂和固化劑比例，采用單搭接膠接接頭的剪切強(qiáng)度測(cè)試作為表征的方法，分別進(jìn)行了環(huán)氧樹脂和固化劑質(zhì)量比為1∶0．7、1∶0．8、1∶0．9和1∶1．0時(shí)膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，具體的測(cè)試方法見文獻(xiàn)［13］．粘結(jié)接頭的制備有兩種形式:純粹用膠粘劑將兩片氧化鋁搭接成接頭和在接頭內(nèi)添加相同面積的鋁薄片．為研究不同表面研磨處理對(duì)接頭粘結(jié)強(qiáng)度的影響，將鋁薄片分為未研磨處理、單向研磨處理和雙向研磨處理3種情況．

       1．2試樣的制備和表征

將鋁薄片用360#砂紙分別沿單方向和互相垂直的兩個(gè)方向研磨以獲得粗糙的表面，處理后置于蒸餾水中超聲清洗15min．未研磨、雙向研磨、單向研磨的粗糙度(Ra)分別為0．78、1．79和1．92μm．制備層狀復(fù)合材料的具體步驟如下:①將環(huán)氧樹脂膠粘劑按1∶0．8的樹脂和固化劑質(zhì)量比混合均勻，置于真空干燥箱中脫泡20min;②將配好的膠粘劑涂覆于氧化鋁基片上，放置一層鋁薄片后涂覆膠粘劑，然后再放置一層氧化鋁基片，如此重復(fù)直至第7層氧化鋁基片;③將步驟②中的疊層結(jié)構(gòu)置于自制的模具中，在5MPa下模壓2h;④撤去壓力，脫模后的層狀復(fù)合材料在空氣中放置96h，待完全固化后用于測(cè)試．

 層狀復(fù)合材料的密度(ρ)采用排水法測(cè)試，楊氏模量(E)采用應(yīng)力－應(yīng)變法測(cè)試，抗彎強(qiáng)度(σ)采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試，跨距為30mm，加載速度為0.5mm/min，斷裂韌性(KIc)采用單邊切口梁法測(cè)試，采用厚度為0．15mm的金剛石刀片切口，切口方向平行于層疊方向，跨距為30mm，加載速度為0.05mm/min，如圖1所示;抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性測(cè)試中試樣的尺寸均為60mm×10mm×5mm，每組測(cè)試5個(gè)試樣．楊氏模量、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性采用5567型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國Instron公司)進(jìn)行測(cè)試．?dāng)嗔压?W)用試樣單位截面積的抗彎強(qiáng)度測(cè)試曲線和x軸包圍的面積表征;采用掃描電子顯微鏡EVO18SpecialEdition(德國Zeiss公司)觀察試樣橫截面的顯微結(jié)構(gòu)和裂紋擴(kuò)展．

文中研究的4種層狀復(fù)合材料分別標(biāo)記為A/A、A/Al、A/Al－和A/Al+，其中A代表氧化鋁基片，Al代表未研磨鋁薄片，Al－代表單向研磨鋁薄片，Al+代表雙向研磨鋁薄片，A/A代表中間未加鋁薄片且僅用膠粘劑將氧化鋁逐層粘接制備的層狀復(fù)合材料．

      2·結(jié)果和討論

      2．1環(huán)氧樹脂和固化劑質(zhì)量比及鋁薄片表面研磨方式對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

當(dāng)環(huán)氧樹脂和固化劑的質(zhì)量比分別為1∶0．7、1∶0．8、1∶0．9和1∶1．0時(shí)，膠粘劑對(duì)氧化鋁片的粘結(jié)強(qiáng)度分別為(9．3±0．8)、(21．4±0．7)、(13．0±0．8)、(10．9±1．2)MPa．可見，當(dāng)質(zhì)量比為1∶0．8時(shí)，膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)固化體系固化完全．當(dāng)固化劑用量不足時(shí)，環(huán)氧樹脂固化不完全;當(dāng)固化劑過量時(shí)，部分固化劑殘留在固化體系中，造成環(huán)氧樹脂粘結(jié)性能的下降．在環(huán)氧樹脂和固化劑質(zhì)量比為1∶0．8的膠接接頭中間添加未研磨、單向研磨、雙向研磨的鋁薄片時(shí)，接頭的粘結(jié)強(qiáng)度分別為(13．9±0．8)、(16．0±1．0)、(15．1±0．9)MPa，這表明，中間添加鋁薄片后接頭的粘結(jié)強(qiáng)度略有下降，添加研磨鋁薄片的接頭粘結(jié)強(qiáng)度比添加未研磨鋁薄片的高，而且添加單向研磨鋁薄片的接頭粘結(jié)強(qiáng)度略高于添加雙向研磨鋁薄片時(shí)．這是因?yàn)檠心ズ箐X薄片表面的粗糙度增加，有助于增加膠液與被粘物的機(jī)械互鎖，進(jìn)而增加界面的粘結(jié)強(qiáng)度．中間添加鋁薄片的接頭破壞后的粘結(jié)界面如

圖2所示．添加未研磨鋁薄片的接頭破壞界面呈現(xiàn)界面破壞特征，破壞發(fā)生在鋁薄片和固化粘結(jié)劑的界面上;添加單向研磨鋁薄片的接頭呈現(xiàn)內(nèi)聚破壞特征，破壞發(fā)生在粘結(jié)劑層內(nèi);添加雙向研磨鋁薄片的接頭呈現(xiàn)被粘結(jié)物破壞特征，破壞發(fā)生在被粘結(jié)的鋁薄片上［16］．

 2．2Al2O3/Al層狀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形貌

圖3為A/Al層狀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖，該復(fù)合材料由氧化鋁和鋁薄片交替層疊而成．前期研究表明，層狀復(fù)合材料的層數(shù)對(duì)其性能有著重要的影響，隨著層數(shù)的增加，層狀復(fù)合材料的斷裂韌性提高，但強(qiáng)度隨之降低［13-14］．文中采用了文獻(xiàn)［13］中結(jié)果較好的7層氧化鋁片和6層鋁薄片形成的層狀結(jié)構(gòu)，氧化鋁片和鋁薄片間采用環(huán)氧樹脂膠粘劑作為粘結(jié)劑．

圖4給出了A/Al－層狀復(fù)合材料橫截面的SEM圖．圖4(a)中間的線條將圖片分為兩部分，左側(cè)為背散射像，右側(cè)為二次電子像，從背散射像中可以看到，中間灰色部分鋁薄片和兩側(cè)的氧化鋁之間有一層顏色較深的薄層(即固化后的環(huán)氧樹脂層)．從圖4(b)可看到，環(huán)氧樹脂層將氧化鋁層和鋁薄片層緊密連接在一起，環(huán)氧樹脂層的厚度約為2～5μm，鋁薄片層表面研磨后的凹槽清晰可見．

2．3Al2O3/Al層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能

Al2O3/Al層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能見表1．由于A/Al在切割成試條的過程中容易發(fā)生層間剝離，因而未進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試．A/Al－層狀復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂功最大，分別達(dá)到282MPa、14．4MPa·m1/2和2617J/m2;A/Al+層狀復(fù)合材料次之，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂功分別為250MPa、12．9MPa·m1/2和2244J/m2;A/A層狀復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂功分別為224MPa、10．1MPa·m1/2和1502J/m2．可以看出，在氧化鋁片中引入鋁薄片后有助于層狀復(fù)合材料斷裂韌性和斷裂功的提高．A/A層狀復(fù)合材料的密度為3.65g/cm3，楊氏模量為188GPa;加入鋁薄片后層狀復(fù)合材料的密度為3．41g/cm3，楊氏模量為120GPa左右，說明加入鋁薄片后，層狀復(fù)合材料的密度、楊氏模量有所降低．相比于氧化鋁片(斷裂韌性約為3．5MPa·m1/2)［17］，層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度略有下降，但斷裂韌性和斷裂功得到了較大的提高． 

       圖5給出了A/Al－、A/Al+和A/A層狀復(fù)合材料的載荷－位移曲線．由圖5可知:A/Al－層狀復(fù)合材料的曲線較高且尖端尖銳;A/Al+層狀復(fù)合材料的曲線尖端出現(xiàn)了一處小波折，這主要是因?yàn)閱蜗蜓心ヤX薄片試樣層間結(jié)合強(qiáng)度大于雙向研磨鋁薄片試樣;A/Al－和A/Al+層狀復(fù)合材料的曲線后端都出現(xiàn)了一個(gè)下降的“平臺(tái)”現(xiàn)象，這是由于層狀復(fù)合材料在由陶瓷片構(gòu)成的“骨架”斷裂后，層間鋁薄片“筋骨”繼續(xù)延展直至斷裂形成;A/A層狀復(fù)合材料的曲線峰值明顯較低，曲線后端也沒有出現(xiàn)“平臺(tái)”現(xiàn)象．

2．4Al2O3/Al層狀復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展和斷裂機(jī)理

圖6給出了A/Al－層狀復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展SEM圖．從圖6(a)可見，該層狀復(fù)合材料出現(xiàn)了多裂紋斷裂特征，除一條貫穿試樣的主裂紋外，還有若干條只擴(kuò)展至數(shù)層的較小裂紋．這主要是由層狀復(fù)合材料的層間結(jié)合、鋁薄片層的形變以及氧化鋁層和鋁薄片層的應(yīng)變率差異引起的．根據(jù)三點(diǎn)抗彎測(cè)試模型，試樣中間部分受到的應(yīng)力最大，當(dāng)達(dá)到氧化鋁陶瓷的拉伸臨界時(shí)，裂紋在試樣表面萌生，接著快速擴(kuò)展至相鄰的Al2O3/Al界面并被捕獲;隨著加載載荷的進(jìn)一步加大，新的裂紋會(huì)在下一個(gè)Al2O3/Al界面處氧化鋁端萌生并向前發(fā)展，再到下一個(gè)Al2O3/Al界面被捕獲，如此重復(fù)過程形成了一個(gè)貫穿試樣的裂紋，但在整個(gè)裂紋擴(kuò)展的過程中，并不只有一條裂紋產(chǎn)生．Deng等［18］建立的陶瓷/超塑性層狀復(fù)合材料模型表明，超塑性層的延展性是層狀復(fù)合材料形成多裂紋破壞的重要原因．相比氧化鋁薄片，文中的鋁夾層具有較好的延展性，可以作為一個(gè)陶瓷/塑性體系來研究．在層狀復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展過程中，由于鋁夾層的塑性變形作用，會(huì)在Al2O3/Al界面產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力，而且層狀復(fù)合材料氧化鋁層中本身存在著殘余應(yīng)力，故氧化鋁層的總應(yīng)力為上述兩個(gè)應(yīng)力之和．當(dāng)氧化鋁層中總應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，氧化鋁發(fā)生破壞，并誘發(fā)新的裂紋產(chǎn)生．此外，Deng等［18］的模型假設(shè)層狀復(fù)合材料層間結(jié)合足夠牢固，沒有發(fā)生層間剝離現(xiàn)象．實(shí)際上，在本實(shí)驗(yàn)中，由于層間結(jié)合強(qiáng)度沒有高到這種程度，當(dāng)層狀復(fù)合材料層間應(yīng)力超過層間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，層間會(huì)發(fā)生滑移或剝離．如圖6(b)－6(d)所示，在層狀復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋路徑中的金屬鋁夾層呈現(xiàn)明顯的拉伸破壞特征，發(fā)生了顯著的頸縮現(xiàn)象．

 3·結(jié)論

 (1)為了確定合適的膠粘劑配比，對(duì)不同配比的膠粘劑進(jìn)行了粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，當(dāng)環(huán)氧樹脂和固化劑質(zhì)量比為1∶0．8時(shí)，膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度最大．當(dāng)粘結(jié)接頭中分別加入未研磨、雙向研磨和單向研磨鋁薄片時(shí)，添加表面粗糙度大的單向研磨鋁薄片的接頭粘結(jié)強(qiáng)度最大．

 (2)把氧化鋁片和鋁薄片交替層疊，通過環(huán)氧樹脂膠粘劑粘結(jié)后，利用模壓技術(shù)制備了Al2O3/Al層狀復(fù)合材料．該復(fù)合材料的橫截面顯微結(jié)構(gòu)顯示，Al2O3/膠粘劑/Al界面結(jié)合緊密，膠粘劑層厚度為2～5μm．

 (3)與單一氧化鋁相比，該層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度雖略有下降，但斷裂韌性和斷裂功有較大的提高．添加單向研磨鋁薄片的Al2O3/Al層狀復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂功分別達(dá)到282MPa、14．4MPa·m1/2和2617J/m2;添加雙向研磨鋁薄片的Al2O3/Al層狀復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂分別為250MPa、12．9MPa·m1/2和2244J/m2．

       (4)裂紋擴(kuò)展觀察表明，該層狀復(fù)合材料發(fā)生的多裂紋擴(kuò)展是提高其斷裂韌性和斷裂功的重要原因．