可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)及其研究現(xiàn)狀與趨勢

江 濤，韓慢慢，付 甲

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

陶瓷材料具有較高的力學(xué)性能、硬度，良好的耐磨損性能。由于陶瓷硬度較高，導(dǎo)致陶瓷的可加工性能較差且機(jī)械加工成本較高。所以，為了改善和提高陶瓷材料的可加工性能，需要向陶瓷中加入可加工相從而形成復(fù)相陶瓷。磷酸鹽材料諸如LaPO4和CePO4具有良好的可加工性能。為了改善和提高陶瓷材料的可加工性能，可以將LaPO4和CePO4與Al2O3和ZrO2相復(fù)合制備可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能和優(yōu)良的可加工性能?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷主要有Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復(fù)合材料。本文主要闡述可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)和研究發(fā)展現(xiàn)狀，以及可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能，以及可加工性能等。并對可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的未來發(fā)展方向和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測。

1 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的制備工藝主要包括粉末冶金工藝、自蔓延高溫反應(yīng)合成工藝、原位反應(yīng)自生法等。其中，粉末冶金工藝主要包括熱等靜壓燒結(jié)工藝、熱壓燒結(jié)工藝、常壓燒結(jié)工藝、放電等離子燒結(jié)工藝、熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝、原位反應(yīng)自生法等。

2 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

磷酸鹽/氧化物復(fù)合陶瓷是由Al2O3、ZrO2和LaPO4、CePO4形成的復(fù)合物。其中，Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4復(fù)相陶瓷可用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工。本文主要分析Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4復(fù)合材料的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能，以及可加工性能等。并闡述稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

2.1 Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

可以在氧化鋁(Al2O3)陶瓷材料中添加磷酸鑭(LaPO4)相復(fù)合形成可加工Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料?？杉庸l2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能和良好的可加工性能。Gong 等[1]研究了可加工Al2O3/LaPO4復(fù)合材料在N2氣氛中的無壓燒結(jié)制備工藝。在N2氣氛中采用無壓燒結(jié)制備了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料；研究了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對Al2O3/LaPO4復(fù)合材料致密化過程的影響，以及LaPO4含量對Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。LaPO4含量為30wt.%的LaPO4/Al2O3復(fù)合材料可以使用硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行機(jī)械加工。Min 等[2]研究了LaPO4/Al2O3復(fù)合材料的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，將LaPO4和Al2O3的混合物干壓成圓盤或棒狀。當(dāng)樣品在1600 ℃下、空氣中燒結(jié)5 h 時(shí)，燒結(jié)試樣的相對密度大于94 %，燒結(jié)試樣的表觀孔隙率小于6 %。研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)工藝制備的LaPO4/Al2O3陶瓷是可以進(jìn)行機(jī)械加工。這些燒結(jié)陶瓷樣品可以使用傳統(tǒng)的WC 硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行鉆孔。燒結(jié)工藝制備的LaPO4-Al2O3復(fù)合材料具有良好的熱學(xué)性能和較高的力學(xué)性能。Zhang 等[3]研究了LaPO4/Al2O3微納米復(fù)合陶瓷的研磨特性及去除機(jī)理。燒結(jié)工藝制備的LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷采用平面磨床進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)。通過X 射線衍射(XRD)，透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)分別表征了涂層粉末的物相組成和形態(tài)，以及陶瓷研磨表面的微觀結(jié)構(gòu)。其主要的破裂模式是在層狀LaPO4的顆粒內(nèi)。

Wang 等[4]研究了可加工Al2O3/LaPO4復(fù)合材料和梯度功能材料的制備和性能。系統(tǒng)研究了Al2O3-LaPO4復(fù)合材料體系的化學(xué)可比性，將梯度結(jié)構(gòu)概念應(yīng)用于可加工Al2O3-LaPO4復(fù)合陶瓷的設(shè)計(jì)。采用粉末分層和熱壓燒結(jié)工藝制備可加工Al2O3/LaPO4功能梯度材料并對其進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)和性能表征。Wang 等[5]研究了可加工Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料的性能和微觀結(jié)構(gòu)。在Al2O3陶瓷基體中加入層狀結(jié)構(gòu)的LaPO4，以提高復(fù)合材料的可加工性能，不同的燒結(jié)溫度分別為 1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃、1600 ℃，制備不同的LaPO4含量的Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料。這些樣品中主要包括純 Al2O3，LaPO4含量分別為 10wt.%、20wt.%、30wt.%、40wt.%的Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料，以及純的LaPO4。在這些樣品的致密化過程中，對硬度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。X 射線衍射分析結(jié)果表明，燒結(jié)至1600℃時(shí)，在Al2O3/LaPO4復(fù)合材料中僅存在Al2O3和LaPO4相，而沒有其他相存在。其中，LaPO4含量不同。Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的體積密度、硬度、微觀結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于LaPO4含量和燒結(jié)溫度。由于LaPO4的層狀結(jié)構(gòu)、Al2O3和 LaPO4相之間的弱界面，Al2O3/40wt.%LaPO4復(fù)合材料可以使用硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行機(jī)械加工。Wang 等[6]研究了熱壓燒結(jié)工藝制備可加工Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的顯微組織與力學(xué)性能。采用熱壓燒結(jié)法制備了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料，并對其Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行研究。由于晶界擴(kuò)散性和遷移率降低，層狀LaPO4晶粒抑制了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的致密化過程和Al2O3的晶粒生長。與整體Al2O3相比，Al2O3/LaPO4復(fù)合體系具有窄而均勻的粒度分布。隨著LaPO4含量的增加，這種趨勢變得更加明顯。由于在Al2O3和LaPO4之間形成弱結(jié)合界面，細(xì)小且均勻的微觀結(jié)構(gòu)沒有改善斷裂強(qiáng)度和彈性模量。添加40wt.%LaPO4并在1450 ℃下，燒結(jié)工藝制備的Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到331 MPa 和維氏硬度達(dá)到4.69GPa。結(jié)果表明，引入層狀結(jié)構(gòu)LaPO4的界面分散相后，硬度顯著降低從而導(dǎo)致可加工性能顯著提高，氧化鋁基體材料的可加工性能得到很大提高。

Wang 等[7]研究了LaPO4含量對Al2O3/LaPO4復(fù)合材料組織和切削性能的影響。根據(jù)磷酸鑭(LaPO4)含量(10wt.%、20wt.%、30wt.%、40wt.%)的變化，研究了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和可加工性能。X 射線衍射分析表明，Al2O3/LaPO4復(fù)合材料中只有Al2O3和LaPO4相存在。在燒結(jié)溫度(1600 ℃，2h)下LaPO4含量不同。Al2O3和LaPO4相的弱結(jié)合界面可能是降低硬度和改善復(fù)合材料的可加工性能的原因。LaPO4含量對Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的體積密度，硬度和微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。當(dāng)LaPO4的含量增加至30wt.% 時(shí)，可以使用硬質(zhì)合金鉆頭來對Al2O3/LaPO4復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械加工。Wang 等[8]研究了可加工Al2O3/LaPO4功能梯度材料的設(shè)計(jì)、制造和表征，提出了一種基于分級結(jié)構(gòu)概念的可加工陶瓷復(fù)合材料的新設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用于可加工Al2O3/LaPO4陶瓷的設(shè)計(jì)中。通過放電等離子燒結(jié)工藝在1350 ℃下，燒結(jié)3 min 制備Al2O3/LaPO4功能梯度材料，使用粉末分層方法改變LaPO4量的排列。Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的可加工性能得到改善和提高，可歸因于Al2O3/LaPO4弱結(jié)合的形成和層狀結(jié)構(gòu)LaPO4的加入。獨(dú)石型LaPO4具有優(yōu)異的解理面，易于加工取決于晶體互鎖的程度。因此，LaPO4晶體含量和它們的縱橫比影響可加工性能。這種設(shè)計(jì)可以提高復(fù)合材料的可加工性能，同時(shí)可以使Al2O3陶瓷的力學(xué)性能小幅降低。使得Al2O3/LaPO4復(fù)合材料在具有良好的可加工性能的前提下，具有較高的力學(xué)性能。

Badolia 等[9]研究了LaPO4含量對Al2O3的可加工性能、微觀結(jié)構(gòu)和生物學(xué)性能的影響，將合成的LaPO4與10wt.%、20wt.%、30wt.%、40wt.%和50wt.%的煅燒氧化鋁混合，并將混合的組合物在1500 ℃、1550 ℃和1600 ℃下壓制和燒結(jié)。燒結(jié)產(chǎn)品的物相分析發(fā)現(xiàn)，添加LaPO4可賦予氧化鋁陶瓷機(jī)械加工性能，在微觀結(jié)構(gòu)中觀察到良好的 LaPO4顆粒分布。Badolia 等[10]研究了活性Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料作為可加工生物陶瓷。采用反應(yīng)合成技術(shù)制備的市售活性氧化鋁和純磷酸鑭(LaPO4)通過燒結(jié)工藝制備了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料。LaPO4含量在10wt.%和50wt.%之間變化，燒結(jié)工藝在1400 ℃和1600 ℃之間進(jìn)行。對經(jīng)過燒結(jié)工藝得到的Al2O3/LaPO4燒結(jié)復(fù)合材料的物相分析、致密化過程、強(qiáng)度、可加工性能、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn) LaPO4的添加降低了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的致密化程度和強(qiáng)度值。但是，Al2O3/LaPO4復(fù)合材料具有良好的可加工性能。Wang 等[11]研究了可加工Si3N4/h-BN 陶瓷復(fù)合材料和Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料，設(shè)計(jì)和制造并表征了可加工Si3N4/h-BN 復(fù)合材料和Al2O3/LaPO4復(fù)合材料。Zhu 等[12]研究了Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。在Al2O3陶瓷基體中加入層狀結(jié)構(gòu)的LaPO4，提高了Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料的可加工性能。研究了Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料在不同燒結(jié)溫度(1450 ℃、1520 ℃、1580 ℃、1700 ℃)和不同LaPO4含量(主要包括純Al2O3，LaPO4含量分別為30%、50%、70%)的Al2O3/LaPO4陶瓷復(fù)合材料，以及純LaPO4的微觀結(jié)構(gòu)。Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于LaPO4含量和燒結(jié)溫度。Al2O3/LaPO4復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能和良好的可加工性能。

Zheng 等[13]研究了Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的新制備工藝和結(jié)構(gòu)。在Al2O3陶瓷基體中加入LaPO4，可提高復(fù)合材料的可加工性能。與傳統(tǒng)制備Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的方法不同是其介紹了涂層方法。通過非均相沉淀法合成了LaPO4涂覆的α-Al2O3粉末，在1600 ℃下無壓燒結(jié)2 h，燒結(jié)成Al2O3/LaPO4復(fù)合材料。根據(jù)LaPO4含量(10wt.%、20wt.%、30wt.%、40wt.%)的變化，提出Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)。從透射電鏡(TEM)圖像可以看出：涂覆的粉末具有透明的核——?dú)そY(jié)構(gòu)，并且涂層的厚度約為5 nm。X 射線衍射分析表明：Al2O3/LaPO4復(fù)合材料中僅存Al2O3和LaPO4相，表明Al2O3和LaPO4相之間具有良好的化學(xué)相容性。采用掃描電鏡研究了 Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，燒結(jié)后涂層結(jié)構(gòu)變得不易識別。隨著LaPO4添加量的增加，在Al2O3/LaPO4復(fù)合材料中明顯觀察到層狀和纖維狀LaPO4。LaPO4通過在Al2O3晶界處分布來抑制Al2O3的晶粒生長。Al2O3/LaPO4和層狀軟LaPO4相的弱界面可以改善和提高復(fù)合材料的可加工性能。

Badolia 等[14]研究了用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的含磷酸鑭的可加工氧化鋁陶瓷。采用兩種商業(yè)級氧化鋁和合成制備的磷酸鑭制備Al2O3/LaPO4鹽復(fù)合材料。通過改變10wt.%至50wt.%的LaPO4含量來制備復(fù)合材料，將混合粉末在1400 ℃和1600 ℃之間壓制并燒結(jié)制備復(fù)合材料。研究了燒結(jié)產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)表征以及各種性能。物相組成分析證實(shí)：不同燒結(jié)溫度分別存在Al2O3和LaPO4相，并發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度和引入LaPO4含量對于改善和提高氧化鋁陶瓷的可加工性能是非常重要的。Wang 等[15]研究了LaPO4粉末的合成與燒結(jié)及其應(yīng)用。采用氧化鑭與磷酸的直接固液反應(yīng)，以La∶P=1∶1 合成了LaPO4粉體。通過在高于600 ℃的溫度下，煅燒原料粉末可以獲得純相和細(xì)晶粒尺寸的LaPO4粉末。研究了在各種溫度下煅燒LaPO4粉末的相類型、晶粒尺寸和形態(tài)。通過SEM 和TEM分析研究了合成粉末燒結(jié)的 LaPO4陶瓷和Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，觀察到層狀晶體結(jié)構(gòu)和LaPO4晶粒內(nèi)部以及Al2O3/LaPO4復(fù)合材料界面處的大量位錯(cuò)。低硬度、多位錯(cuò)和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)表明，層狀LaPO4陶瓷具有優(yōu)異的可加工性能，制造并表征了具有弱結(jié)合界面的可加工Al2O3/LaPO4復(fù)合材料。

龔國良等[16]研究了低溫燃燒合成Al2O3/LaPO4復(fù)合粉體及其陶瓷性能研究。以Al(NO3)3、LaPO4和檸檬酸為原料，通過低溫燃燒合成法合成了Al2O3/LaPO4復(fù)合粉末。熱壓燒結(jié)制備的Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的相對密度為98.5 %。Al2O3/LaPO4復(fù)合材料具有較高的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。Sujith 等[17]研究了基于LaPO4的復(fù)合耐火材料的燒結(jié)和抗熱震性能。獨(dú)石型稀土磷酸鹽(REPs)是低導(dǎo)熱率(＜5W·m-1·K-1)的高溫穩(wěn)定多晶陶瓷。由于其層狀結(jié)構(gòu)和延展性而具有獨(dú)特的耐損傷性。LaPO4因與Al2O3和ZrO2的低反應(yīng)性而成為許多REP 中候選陶瓷。純LaPO4相的抗蠕變性差，在高溫下機(jī)械強(qiáng)度低，顯微硬度低(＜4GPa)。這些不良的工程特性限制了LaPO4作為耐火材料的潛在用途。在這項(xiàng)工作中，研究了Al2O3/LaPO4陶瓷的常規(guī)燒結(jié)以及LaPO4對Al2O3陶瓷納米復(fù)合材料的抗熱震性作用。Tomaszewski 等[18]研究了高耐故障性的多層陶瓷復(fù)合材料，使用流延成型技術(shù)制備了Al2O3/LaPO4的多層復(fù)合材料。將生坯在氬氣氣氛下、于1280℃進(jìn)行熱壓。研究幾何因素對多層復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)層狀復(fù)合材料的斷裂功高達(dá)1100 J/m2。

2.2 Al2O3/CePO4陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

可以向Al2O3陶瓷材料中添加CePO4相復(fù)合形成可加工Al2O3/CePO4陶瓷復(fù)合材料。其具有較高的力學(xué)性能和良好的可加工性能。Suzuki 等[19]研究了具有窄孔徑分布的均勻多孔Al2O3/LaPO4復(fù)合材料和 Al2O3/CePO4復(fù)合材料。通過RE2(CO3)3·xH2O(RE=La 或Ce)1100 ℃反應(yīng)燒結(jié)2 h，成功地合成了孔徑分布窄于200 nm 的多孔Al2O3/20vol%LaPO4和Al2O3/20vol%CePO4復(fù)合材料。添加LiF 的Al(H2PO4)3和Al2O3，與先前報(bào)道的UPC-3Ds 具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均勻多孔復(fù)合材料。例如：CaZrO3/MgO 系統(tǒng)相似，起始材料中的分解氣體形成了孔隙率約為40 %的均勻開放的多孔結(jié)構(gòu)。X 射線衍射、31P 幻角旋轉(zhuǎn)核磁共振、掃描電鏡和水銀孔隙率法揭示了多孔復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。Majeed 等[20]研究了LaPO4增強(qiáng)Al2O3陶瓷的表征和加工。將LaPO4和CePO4添加到Al2O3基體中。研究了含有不同LaPO4含量對Al2O3/LaPO4復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和可加工性能的影響；研究了含有不同CePO4含量對Al2O3/CePO4復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和可加工性能的影響。

2.3 ZrO2/LaPO4陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

可以向ZrO2陶瓷材料中添加LaPO4相復(fù)合形成可加工ZrO2/LaPO4陶瓷復(fù)合材料。其具有較高的力學(xué)性能和良好的可加工性能。Min 等[21]研究了燒結(jié)工藝制備的可加工LaPO4/ZrO2復(fù)合材料的熱學(xué)性能和力學(xué)性能。采用濕法沉淀和機(jī)械化學(xué)反應(yīng)方法合成了獨(dú)石型LaPO4。將LaPO4/ZrO2的混合物干壓至圓盤或板上，并在100 MPa 下冷等靜壓10 min，然后在1500 ℃—1600 ℃的溫度下分別在空氣中燒結(jié)1 h、3 h 和5 h，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的相對密度大于96.8 %。研究發(fā)現(xiàn)這些LaPO4含量比例大于25 %的復(fù)合材料和單相LaPO4是可加工的。燒結(jié)工藝制備的LaPO4/ZrO2復(fù)合材料可以使用傳統(tǒng)的碳化鎢加工工具進(jìn)行切割和鉆孔。通過在640 rpm 下，向鉆頭施加49 N 的固定載荷來測量鉆孔速率。X 射線衍射結(jié)果表明：至少在1600 ℃空氣中LaPO4不與ZrO2反應(yīng)。研究了燒結(jié)工藝制備的LaPO4/ZrO2復(fù)合材料的線性熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、彎曲強(qiáng)度和楊氏模量。Hajian Foroushani 等[22]研究了等離子噴涂 YSZ 和YSZ/LaPO4可穿透熱障涂層的孔隙率分析和氧化行為。研究了四種可磨耗熱障涂層由微米和納米結(jié)構(gòu)的YSZ(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)、YSZ-10%LaPO4、YSZ-20 %LaPO4涂層組成。這些涂層由大氣等離子噴涂工藝制備，并對制備方法進(jìn)行了評估。研究了四種可磨耗熱障涂層的高溫氧化行為、孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：含有LaPO4的涂層中孔隙率的體積百分比高于單相YSZ(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)樣品。這可能是由于LaPO4相的導(dǎo)熱系數(shù)較低所致。此外，結(jié)果表明：YSZ/LaPO4復(fù)合涂層中剩余孔隙的量高于單相YSZ。在經(jīng)過1000 ℃、120 h 等溫氧化后，復(fù)合涂層中熱生長氧化物層的厚度高于YSZ 涂層，因?yàn)閺?fù)合涂層具有較高的孔隙率和耐燒結(jié)性能。最后研究了常規(guī)YSZ 和納米結(jié)構(gòu)YSZ 涂層的等溫抗氧化性能。

Zhou 等[23]研究了液態(tài)前驅(qū)體滲透法制備可加工Y-TZP/LaPO4復(fù)合陶瓷。將LaPO4液體前驅(qū)體滲透到 Y-TZP 多孔陶瓷中，制備了可加工的Y-TZP/LaPO4復(fù)合陶瓷。添加30vol %石墨制備具有35vol %開孔體積的燒結(jié)Y-TZP 陶瓷。通過滲透和熱解循環(huán)獲得含有不同 LaPO4含量的Y-TZP/LaPO4復(fù)合陶瓷。研究了Y-TZP/LaPO4復(fù)合材料的可加工性能和力學(xué)性能。結(jié)果表明含有2.3vol%至7.5vol %LaPO4的可加工Y-TZP/LaPO4復(fù)合陶瓷具有良好的機(jī)械加工性能和較高的力學(xué)性能。趙英娜等[24]利用壓痕—淬冷法研究LaPO4-ZrO2復(fù)合陶瓷材料的抗熱震性能。測定了不同LaPO4含量的LaPO4-ZrO2復(fù)合陶瓷材料的抗熱震性能。通過掃描電鏡(SEM)觀察不同溫度下熱震后的裂紋擴(kuò)展模式。結(jié)果表明：1550 ℃燒結(jié)的LaPO4-ZrO2復(fù)合陶瓷中，LaPO4的體積含量為20vol %，臨界熱震溫度差(ΔTc)約為400 ℃，比純氧化鋯陶瓷高約150 ℃。LaPO4-ZrO2復(fù)合材料具有良好的抗熱震性能。周振君等[25]研究了液相浸滲法制備Y-TZP/LaPO4可加工復(fù)相陶瓷。并研究了采用液相浸滲法制備的Y-TZP/LaPO4可加工復(fù)相陶瓷的制備工藝、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及可加工性能。研究表明：Y-TZP/LaPO4可加工復(fù)相陶瓷具有較高的力學(xué)性能和良好的可加工性能。

Kuo 等[26]研究了含磷酸釔和含磷酸鑭氧化鋯復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能評價(jià)。研究了燒結(jié)工藝制備的可加工LaPO4/ZrO2復(fù)合陶瓷材料的制備工藝、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、可加工性能。研究表明：LaPO4/ZrO2復(fù)合陶瓷具有良好的可加工性能。Zhang 等[27]研究了新型LaPO4/YSZ 雙陶瓷層熱障涂層的熱循環(huán)和熱腐蝕行為。LaPO4粉末采用化學(xué)共沉淀和煅燒方法生產(chǎn)。該陶瓷顯示出獨(dú)石結(jié)構(gòu)在1400 ℃下保持穩(wěn)定相100 h，具有低導(dǎo)熱率。通過等離子噴涂制備LaPO4/Y2O3部分穩(wěn)定的 ZrO2(LaPO4/YSZ)雙陶瓷層熱障涂層。熱循環(huán)測試表明：LaPO4/YSZ 雙陶瓷層熱障涂層的散裂最初發(fā)生在LaPO4涂層中。失效模式類似于許多新開發(fā)的熱障涂層，可能是由于陶瓷材料具有較低的斷裂韌性。LaPO4/YSZ 雙陶瓷層熱障涂層對V2O5腐蝕具有很強(qiáng)的抵抗力。

Li 等[28]研究了ZrO2/LaPO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和抗熱震性能。制備了不同LaPO4含量為0—30vol %的4YSZ-LaPO4復(fù)合材料。研究了LaPO4含量對ZrO2-LaPO4復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能和抗熱震性能的影響。隨著獨(dú)石型LaPO4含量的增加，4YSZ-LaPO4復(fù)合材料的維氏硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性逐漸降低，而抗熱震性能明顯提高。結(jié)果表明：在空氣中淬火時(shí)，4YSZ/30vol %LaPO4復(fù)合材料的臨界熱震溫度差(ΔTc)為1400 ℃，比整體式4YSZ 高400 ℃。4YSZ-LaPO4復(fù)合材料抗熱震性能的提高主要因?yàn)閿嗔秧g性與抗彎強(qiáng)度的比值較高以及ZrO2和LaPO4之間弱結(jié)合界面處的裂紋偏轉(zhuǎn)和橋接導(dǎo)致。Li 等[29]研究了采用壓痕技術(shù)評價(jià)致密氧化鋯基復(fù)合材料的抗熱震性能。采用基于維氏裂紋擴(kuò)展的壓痕—淬火法，對含有 0vol %、15vol %、30vol %LaPO4的3Y-TZP/LaPO4復(fù)合材料的抗熱震性能進(jìn)行了評價(jià)。初步研究了LaPO4粒子尺寸對3Y-TZP/LaPO4復(fù)合材料抗熱震性能的影響。結(jié)果表明：900 ℃燒結(jié)含有 15vol %LaPO4的3Y-TZP/LaPO4復(fù)合材料在水淬條件下，表現(xiàn)出更好的抗裂紋擴(kuò)展和抗熱震性能。較大粒度或較高含量的LaPO4會(huì)降低3Y-TZP/LaPO4復(fù)合材料的抗熱震性能，通過抗熱震性能參數(shù)的計(jì)算給出了抗熱震性能差異的解釋。

Li 等[30]研究了LaPO4粒徑對ZrO2陶瓷抗熱震性能的影響。研究了不同粒徑含 LaPO4的ZrO2/LaPO4復(fù)合材料的抗熱震性能。對顯微組織、力學(xué)性能和熱震參數(shù)進(jìn)行了評估和討論。根據(jù)理論計(jì)算的熱震值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含LaPO4的復(fù)合材料在1100 ℃煅燒1 h 時(shí)，具有更強(qiáng)的抗熱震破壞性。Mezentseva 等[31]研究了溶膠—凝膠法合成前驅(qū)體并制備基于LaPO4添加Y2O3和ZrO2的陶瓷復(fù)合材料。通過溶膠—凝膠技術(shù)合成了納米粉末作為前驅(qū)體。通過常規(guī)燒結(jié)工藝制備LaPO4-Y2O3和LaPO4-ZrO2陶瓷復(fù)合材料。溶膠—凝膠技術(shù)基于使用逆沉淀或逆絮凝技術(shù)分別合成LaPO4·nH2O、Y(OH)3和ZrO(OH)2組分作為溶膠的方法，通過隨后在1000 ℃、1200 ℃和1300 ℃下、保溫24 h，燒結(jié)這些組合物來制備陶瓷復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)維氏顯微硬度取決于燒結(jié)溫度。討論了氧化釔和氧化鋯的添加對粉末分散性、熱性能、比表面積、復(fù)合材料陶瓷斷口表面，以及開孔率的影響。Li 等[32]研究了LaPO4/ZrO2的顯微結(jié)構(gòu)和抗熱震性能。LaPO4/ZrO2復(fù)合材料是通過流延成型和在空氣中進(jìn)行無壓燒結(jié)而制備的，解決了添加LaPO4對復(fù)合材料顯微組織和抗熱震性的影響。通過空氣淬火和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評估復(fù)合材料的抗熱震性能以確定強(qiáng)度降低。使用不添加LaPO4的ZrO2陶瓷進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。當(dāng)從470 ℃熱淬火時(shí)，參比ZrO2陶瓷顯示出預(yù)期的強(qiáng)度降低。相比之下，LaPO4/ZrO2陶瓷雖然相對于參比ZrO2陶瓷顯示出的強(qiáng)度降低，但在抗熱震條件下卻顯示出最小程度的強(qiáng)度降低。

Shijina 等[33]利用沉淀—肽合成法處理的LaPO4/ZrO2陶瓷納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常低。采用了涉及沉淀—肽化機(jī)理的濕化學(xué)合成方法來開發(fā)LaPO4/ZrO2納米復(fù)合材料，其ZrO2含量在5 wt.%—20wt.%的范圍內(nèi)變化。與正磷酸的沉淀反應(yīng)過程中以納米原纖維形式形成的化學(xué)計(jì)量的LaPO4，隨后在pH2膠溶后轉(zhuǎn)化為寬度約10 nm、長度小于100 nm 的納米棒。氧化鋯分散體通過氨氧化三氯氧化鋯作為超細(xì)顆粒被均勻地?fù)饺?。對于?600 ℃下燒結(jié)的LaPO4-10wt.%ZrO2納米復(fù)合材料，可以將由此獲得納米復(fù)合材料燒結(jié)體致密度達(dá)到大于98%。對于LaPO4-20wt.%ZrO2納米復(fù)合材料，向LaPO4中添加ZrO2阻礙了致密化，并且抑制了高達(dá)50%的晶粒生長。此外與單相LaPO4相比，納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)值非常低(1 W·m-1·K-1)，LaPO4和ZrO2在高溫下不發(fā)生反應(yīng)。LaPO4/ZrO2的低熱導(dǎo)率值使其對高溫絕熱應(yīng)用有效。徐旭東等[34]研究了LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能和切削性能。通過掃描電鏡(SEM)和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能、可塑性和加工機(jī)理。結(jié)果表明：LaPO4的增加導(dǎo)致LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復(fù)合材料的可加工性提高和力學(xué)性能下降。加入30%LaPO4可以改善LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能，并可對LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械加工。

2.4 ZrO2/CePO4陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

可以向ZrO2中添加CePO4相復(fù)合形成可加工ZrO2/CePO4陶瓷復(fù)合材料。其具有較高的力學(xué)性能和良好的可加工性能。Zi 等[35]研究了CePO4涂層包覆ZrO2陶瓷的制備及其力學(xué)性能。通過共沉淀法合成了 ZrO2-3mol %Y2O3(3Y-TZP) 包覆CePO4，研究了CePO4含量和燒結(jié)溫度對其力學(xué)性能的影響。分別使用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)以及X 射線衍射(XRD)對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)和物相組成進(jìn)行了表征。當(dāng)CePO4含量為25wt.%時(shí)，CePO4涂層包覆的ZrO2的可加工性能指數(shù)經(jīng)過計(jì)算為1.05。當(dāng)燒結(jié)溫度為1400 ℃時(shí)，樣品的維氏硬度為7.08 GPa、彎曲強(qiáng)度為457.85 MPa、斷裂韌性為 9.75 MPa·m1/2。結(jié)果表明：制備的CePO4涂層包覆3Y-TZP 陶瓷是非常適合應(yīng)用的生物材料。Zhou 等[36]研究了液體前驅(qū)體滲透法制備可加工Ce-TZP/CePO4復(fù)合陶瓷。采用新工藝制備Ce-TZP/CePO4復(fù)合陶瓷，即將CePO4液體前驅(qū)體滲透到Ce-TZP 多孔陶瓷中。通過添加30vol%的石墨來開發(fā)具有35vol%開孔體積的燒結(jié)Ce-TZP陶瓷預(yù)制件。通過滲透和熱解循環(huán)獲得含有不同CePO4含量的Ce-TZP/CePO4復(fù)合陶瓷，研究了其可加工性能和力學(xué)性能。結(jié)果表明：Ce-TZP/CePO4復(fù)合陶瓷可以使用傳統(tǒng)的碳化鎢加工工具進(jìn)行切割和鉆孔。采用測量磨削力比較這些材料的加工容易程度?？杉庸e-TZP/ CePO4復(fù)合材料含有2vol%—7.5vol%CePO4，具有良好的機(jī)械加工性能和較高的力學(xué)性能。并且研究和討論了Ce-TZP/CePO4復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。

Xu 等[37]研究了參數(shù)對CePO4/ZrO2可加工陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響，將CePO4粉末加入到ZrO2粉末中以制備復(fù)合粉末。實(shí)驗(yàn)采用兩種分散方法(包括機(jī)械混合法和多相懸浮液絮凝法)制備復(fù)合粉末。通過機(jī)械混合方法制備的復(fù)合粉末分別在1450 ℃、1550 ℃、1600 ℃條件下燒結(jié)。掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明：在1550 ℃燒結(jié)的樣品微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他樣品。Yu 等[38]研究了Ce-ZrO2/CePO4陶瓷的可加工特性。制備了Ce-ZrO2和獨(dú)石型CePO4的兩相混合物Ce-ZrO2/CePO4陶瓷。進(jìn)行鉆削和研磨實(shí)驗(yàn)來研究Ce-ZrO2/CePO4陶瓷的加工特性。用掃描電鏡觀察陶瓷的加工表面和鉆頭的磨損表面。在Ce-ZrO2/CePO4陶瓷機(jī)械加工表面觀察到CePO4晶粒的穿晶斷裂，ZrO2與CePO4晶粒之間的沿晶斷裂，以及陶瓷的韌性變形。隨著CePO4比例增加，復(fù)合材料的鉆孔材料去除率增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Ce-ZrO2/CePO4陶瓷的弱界面和性能對材料去除和可加工性能有影響。邱世鵬等[39]研究了CePO4/Ce-ZrO2可加工陶瓷材料的加工機(jī)理。以不同含量的第二相CePO4顆粒為可加工相與Ce-ZrO2陶瓷材料為基體形成CePO4/Ce-ZrO2復(fù)合陶瓷材料，通過掃描電鏡分析壓痕裂紋和切削表面，研究了CePO4/Ce-ZrO2復(fù)相陶瓷材料的可加工機(jī)理。劉志鋒等[40]研究了一種新型可加工Ce-ZrO2/CePO4復(fù)合陶瓷材料的可加工性能、制備工藝、力學(xué)性能。結(jié)果表明：在載荷作用下，弱界面處易形成微裂紋。在加工過程中主要去除材料，實(shí)現(xiàn)Ce-ZrO2/CePO4復(fù)合陶瓷材料可以使用金屬加工工具進(jìn)行機(jī)械加工。

3 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能總結(jié)

目前，可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷主要有Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復(fù)合材料。其中，Al2O3和ZrO2陶瓷材料是基體，而LaPO4和CePO4是可加工相。文獻(xiàn)資料研究結(jié)果表明：可加工相LaPO4和CePO4均勻地分布在Al2O3和ZrO2基體中。由于LaPO4和CePO4的力學(xué)性能較低，可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著可加工磷酸鹽 LaPO4和CePO4的加入量增加而逐漸降低；復(fù)相陶瓷的密度和相對密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性、彈性模量和維氏硬度隨著磷酸鹽含量的增加而逐漸降低。但是，維氏硬度的降低將顯著提高復(fù)相陶瓷的可加工性能。所以，磷酸鹽/氧化物陶瓷的可加工性能隨著磷酸鹽含量的增加而逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷也具有較高的抗熱震性能。

4 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的未來發(fā)展趨勢

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能、良好的耐磨損性能以及優(yōu)良的可加工性能，是主要的研究發(fā)展方向。目前，磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料主要有 Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復(fù)合材料。磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的未來研究方向首先需要研究和開發(fā)新型復(fù)合材料；研究和開發(fā)新型的稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料，可加工相為LaPO4、基體相為Al2O3和ZrO2與其他陶瓷形成的復(fù)合材料。例如：制備Al2O3-Si3N4/LaPO4、Al2O3-SiC/LaPO4、Al2O3-AlN/LaPO4、Al2O3-TiC/LaPO4、ZrO2-ZrB2/LaPO4、ZrO2-ZrN/LaPO4、ZrO2-ZrC/LaPO4等復(fù)合材料。還可以研究可加工相為CePO4、基體為Al2O3和ZrO2與其他陶瓷形成的復(fù)合材料。例如：制備Al2O3-Si3N4/CePO4、Al2O3-SiC/CePO4、Al2O3-AlN/CePO4、Al2O3-TiC/ CePO4、ZrO2-ZrB2/CePO4、ZrO2-ZrN/CePO4、ZrO2-ZrC/CePO4等復(fù)合材料。并積極研究稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料需要著重研究和發(fā)展的領(lǐng)域和方向

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能、良好的耐磨損性能和可加工性能、較高的抗高溫氧化性能。但是，磷酸鹽/氧化物陶瓷材料還需要在以下方面進(jìn)行研究和發(fā)展。

（1）可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能有待進(jìn)一步改善和提高。由于加入LaPO4相和CePO4相，導(dǎo)致可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷的力學(xué)性能顯著降低。所以，需要改善和提高可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷的力學(xué)性能。在不影響可加工性能的前提下，陶瓷基體在制備過程中添加少量的陶瓷顆粒、晶須和短纖維等，這些增強(qiáng)相會(huì)顯著提高復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能。此外，還可以制備納米復(fù)相陶瓷。

（2）需要對可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料在工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究和探索。由于可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料可能應(yīng)用到耐磨損工程領(lǐng)域、耐腐蝕工程領(lǐng)域、耐高溫工程領(lǐng)域，研究可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的耐磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能顯得非常重要。

（3）對可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行表面改性和表面硬化與強(qiáng)化處理，提高表面硬度和耐磨損性能。由于向氧化物陶瓷基體中加入硬度較低的LaPO4相和CePO4相，導(dǎo)致可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷的硬度和耐磨損性能顯著降低。所以，需要將磷酸鹽/氧化物陶瓷進(jìn)行機(jī)械加工制成零部件后，再進(jìn)行后處理工藝提高復(fù)相陶瓷的表面硬度和耐磨損性能。

6 結(jié)論與展望

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能、良好的耐磨損性能、耐腐蝕性能，以及較高的抗高溫氧化性能，同時(shí)還具有優(yōu)良的可加工性能?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷復(fù)合材料是目前可加工陶瓷材料的主要研究和發(fā)展方向。可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷主要有Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復(fù)合材料。并對可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的未來研究和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測：(1)可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷的未來研究方向首先需要研究和開發(fā)行新型復(fù)合材料，增加基體相的種類并擴(kuò)大基體相的范圍，研究和開發(fā)新型的稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料。研究新型的制備工藝，降低制備成本。(2)需要改善和提高可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷的力學(xué)性能。在不影響可加工性能的前提下，陶瓷基體在制備過程中添加少量的陶瓷顆粒、晶須和短纖維等，這些增強(qiáng)相顯著提高復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能。(3)研究可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復(fù)合材料的耐磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能，并積極研究和開發(fā)可加工稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。