氧化鋁陶瓷材料作為一種重要的結(jié)構材料，具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、耐磨損、強度高、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一步發(fā)展和大規(guī)模工程應用．層狀復合材料的出現(xiàn)為陶瓷的增韌提供了一條新的途徑，在過去的30多年，層狀復合材料得到了越來越多的關注［1-3］．目前，主要研究的陶瓷基層狀復合材料體系有陶瓷/陶瓷［4-6］、陶瓷/金屬［7-8］和陶瓷/有機復合材料［9-10］體系．各種體系在制備工藝、補強增韌機制、潛在使用范圍等方面都具有較大的差異．陶瓷/陶瓷層狀復合材料和陶瓷/金屬層狀復合材料通常采用預制層疊放成形［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/陶瓷層狀復合材料主要通過引入弱結(jié)合層、層內(nèi)應力等手段引起層間剝離、裂紋偏轉(zhuǎn)、分支等來達到韌化效果;陶瓷/金屬層狀復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，提高層狀復合材料的斷裂韌性和斷裂功．由于陶瓷/陶瓷層狀復合材料和陶瓷/金屬層狀復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/有機復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燒結(jié)的方法來制備，而是通過常溫或者低溫熱處理使高分子材料固化而成，若在有機夾層中引入纖維或織物復合材料，則在層狀復合材料斷裂時會發(fā)生纖維斷裂、纖維拔出，從而增大層狀復合材料的斷裂功．有機成分的使用也限制了其層狀復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、金屬材料和有機樹脂材料的各自特點，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合材料，同時對該層狀復合材料的力學性能和顯微結(jié)構進行了測試和分析．

 1·實驗

 1．1實驗材料

 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［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度測試作為表征的方法，分別進行了環(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時膠粘劑的粘結(jié)強度測試，具體的測試方法見文獻［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接頭粘結(jié)強度的影響，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，如此重復直至第7層氧化鋁基片;③將步驟②中的疊層結(jié)構置于自制的模具中，在5MPa下模壓2h;④撤去壓力，脫模后的層狀復合材料在空氣中放置96h，待完全固化后用于測試．

 層狀復合材料的密度(ρ)采用排水法測試，楊氏模量(E)采用應力－應變法測試，抗彎強度(σ)采用三點彎曲法測試，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;抗彎強度和斷裂韌性測試中試樣的尺寸均為60mm×10mm×5mm，每組測試5個試樣．楊氏模量、抗彎強度和斷裂韌性采用5567型萬能材料試驗機(美國Instron公司)進行測試．斷裂功(W)用試樣單位截面積的抗彎強度測試曲線和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)構和裂紋擴展．

文中研究的4種層狀復合材料分別標記為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粘結(jié)強度的影響

當環(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，膠粘劑對氧化鋁片的粘結(jié)強度分別為(9．3±0．8)、(21．4±0．7)、(13．0±0．8)、(10．9±1．2)MPa．可見，當質(zhì)量比為1∶0．8時，膠粘劑的粘結(jié)強度達到最大值，此時固化體系固化完全．當固化劑用量不足時，環(huán)氧樹脂固化不完全;當固化劑過量時，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，接頭的粘結(jié)強度分別為(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)強度略有下降，添加研磨鋁薄片的接頭粘結(jié)強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)強度略高于添加雙向研磨鋁薄片時．這是因為研磨后鋁薄片表面的粗糙度增加，有助于增加膠液與被粘物的機械互鎖，進而增加界面的粘結(jié)強度．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層狀復合材料的結(jié)構和形貌

圖3為A/Al層狀復合材料的結(jié)構示意圖，該復合材料由氧化鋁和鋁薄片交替層疊而成．前期研究表明，層狀復合材料的層數(shù)對其性能有著重要的影響，隨著層數(shù)的增加，層狀復合材料的斷裂韌性提高，但強度隨之降低［13-14］．文中采用了文獻［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，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層狀復合材料的力學性能

Al2O3/Al層狀復合材料的力學性能見表1．由于A/Al在切割成試條的過程中容易發(fā)生層間剝離，因而未進行相關力學性能測試．A/Al－層狀復合材料的抗彎強度、斷裂韌性和斷裂功最大，分別達到282MPa、14．4MPa·m1/2和2617J/m2;A/Al+層狀復合材料次之，抗彎強度、斷裂韌性和斷裂功分別為250MPa、12．9MPa·m1/2和2244J/m2;A/A層狀復合材料的抗彎強度、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合材料斷裂韌性和斷裂功的提高．A/A層狀復合材料的密度為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］，層狀復合材料的強度略有下降，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層狀復合材料的載荷－位移曲線．由圖5可知:A/Al－層狀復合材料的曲線較高且尖端尖銳;A/Al+層狀復合材料的曲線尖端出現(xiàn)了一處小波折，這主要是因為單向研磨鋁薄片試樣層間結(jié)合強度大于雙向研磨鋁薄片試樣;A/Al－和A/Al+層狀復合材料的曲線后端都出現(xiàn)了一個下降的“平臺”現(xiàn)象，這是由于層狀復合材料在由陶瓷片構成的“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層狀復合材料的曲線峰值明顯較低，曲線后端也沒有出現(xiàn)“平臺”現(xiàn)象．

2．4Al2O3/Al層狀復合材料的裂紋擴展和斷裂機理

圖6給出了A/Al－層狀復合材料的裂紋擴展SEM圖．從圖6(a)可見，該層狀復合材料出現(xiàn)了多裂紋斷裂特征，除一條貫穿試樣的主裂紋外，還有若干條只擴展至數(shù)層的較小裂紋．這主要是由層狀復合材料的層間結(jié)合、鋁薄片層的形變以及氧化鋁層和鋁薄片層的應變率差異引起的．根據(jù)三點抗彎測試模型，試樣中間部分受到的應力最大，當達到氧化鋁陶瓷的拉伸臨界時，裂紋在試樣表面萌生，接著快速擴展至相鄰的Al2O3/Al界面并被捕獲;隨著加載載荷的進一步加大，新的裂紋會在下一個Al2O3/Al界面處氧化鋁端萌生并向前發(fā)展，再到下一個Al2O3/Al界面被捕獲，如此重復過程形成了一個貫穿試樣的裂紋，但在整個裂紋擴展的過程中，并不只有一條裂紋產(chǎn)生．Deng等［18］建立的陶瓷/超塑性層狀復合材料模型表明，超塑性層的延展性是層狀復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，可以作為一個陶瓷/塑性體系來研究．在層狀復合材料裂紋擴展過程中，由于鋁夾層的塑性變形作用，會在Al2O3/Al界面產(chǎn)生一個附加應力，而且層狀復合材料氧化鋁層中本身存在著殘余應力，故氧化鋁層的總應力為上述兩個應力之和．當氧化鋁層中總應力達到臨界值時，氧化鋁發(fā)生破壞，并誘發(fā)新的裂紋產(chǎn)生．此外，Deng等［18］的模型假設層狀復合材料層間結(jié)合足夠牢固，沒有發(fā)生層間剝離現(xiàn)象．實際上，在本實驗中，由于層間結(jié)合強度沒有高到這種程度，當層狀復合材料層間應力超過層間結(jié)合強度時，層間會發(fā)生滑移或剝離．如圖6(b)－6(d)所示，在層狀復合材料的裂紋擴展過程中，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，對不同配比的膠粘劑進行了粘結(jié)強度測試，當環(huán)氧樹脂和固化劑質(zhì)量比為1∶0．8時，膠粘劑的粘結(jié)強度最大．當粘結(jié)接頭中分別加入未研磨、雙向研磨和單向研磨鋁薄片時，添加表面粗糙度大的單向研磨鋁薄片的接頭粘結(jié)強度最大．

 (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，利用模壓技術制備了Al2O3/Al層狀復合材料．該復合材料的橫截面顯微結(jié)構顯示，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，該層狀復合材料的強度雖略有下降，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層狀復合材料的抗彎強度、斷裂韌性和斷裂功分別達到282MPa、14．4MPa·m1/2和2617J/m2;添加雙向研磨鋁薄片的Al2O3/Al層狀復合材料的抗彎強度、斷裂韌性和斷裂分別為250MPa、12．9MPa·m1/2和2244J/m2．

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