化学学报 ›› 2025, Vol. 83 ›› Issue (10): 1208-1222.DOI: 10.6023/A25050161 上一篇    下一篇

综述

氧化铝材料的强韧化研究进展

李彤, 李博, 张晗, 高名蕊, 钟铱涵, 郭恒阳, 汪少雄*(), 刘少佳*(), 赵赫威*()   

  1. 北京航空航天大学化学学院 北京 100191
  • 投稿日期:2025-05-11 发布日期:2025-07-21
  • 通讯作者: 汪少雄, 刘少佳, 赵赫威
  • 作者简介:

    李彤, 现为北京航空航天大学2023级硕士研究生, 主要研究方向为类牙釉质结构Al2O3基复合材料.

    李博, 2022年获得北京科技大学硕士学位. 现为北京航空航天大学2022级博士, 主要研究方向为纳米材料在生物应用领域的可控制备与组装.

    张晗, 现为北京航空航天大学2023级硕士研究生, 主要研究方向为构型碳化硅复合材料的可控制备及其力学性能.

    高名蕊, 2022年毕业于北京航空航天大学, 获化学硕士学位. 现为北京航空航天大学2022级博士, 主要研究方向为透明材料的可控制备及力学性能研究.

    钟铱涵, 现为北京航空航天大学2024级硕士研究生, 主要研究方向为纳米材料的合成和组装.

    郭恒阳, 现为北京航空航天大学2024级硕士研究生, 主要研究方向为轻质高强氧化铝陶瓷气凝胶.

    汪少雄, 现为北京航空航天大学2020级博士生, 专业为纳米材料与技术, 主要研究微纳米陶瓷及其复合材料的可控制备、组装及其力学性能.

    刘少佳, 2022年毕业于北京航空航天大学纳米材料与技术专业, 获博士学位. 现任北京航空航天大学博士后, 主要研究方向为纳米材料的可控制备与组装及应用探究.

    赵赫威, 现任北京航空航天大学化学学院教授. 2011年和2017年分别获得北京航空航天大学学士和博士学位. 主要研究方向为轻质高强微纳米陶瓷基复合材料的可控制备及性能研究.

    † 共同第一作者.

    “中国青年化学家”专辑.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52222203); 国家自然科学基金(52494930); 国家自然科学基金(52303336); 国家自然科学基金(52450002); 国家重点研发计划(2020YFA0710403); 国家重点研发计划(2020YFA0710404); 北京市科学技术委员会(221100007422088); 中国博士后科学基金(BX20220372); 中国博士后科学基金(2023M730159)

Research Progress on Strengthening and Toughening of Alumina Materials

Tong Li, Bo Li, Han Zhang, Mingrui Gao, Yihan Zhong, Hengyang Guo, Shaoxiong Wang*(), Shaojia Liu*(), Hewei Zhao*()   

  1. School of Chemistry, Beihang University, Beijing 100191
  • Received:2025-05-11 Published:2025-07-21
  • Contact: Shaoxiong Wang, Shaojia Liu, Hewei Zhao
  • About author:
    † The authors contributed equally to this work.

    For the VSI “Rising Stars in Chemistry”.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(52222203); National Natural Science Foundation of China(52494930); National Natural Science Foundation of China(52303336); National Natural Science Foundation of China(52450002); National Key R&D Program of China(2020YFA0710403); National Key R&D Program of China(2020YFA0710404); Beijing Municipal Science & Technology Commission(221100007422088); China Postdoctoral Science Foundation(BX20220372); China Postdoctoral Science Foundation(2023M730159)

氧化铝(Al2O3)材料因其高强度、高硬度、低导热性以及化学稳定性, 被广泛应用于航空航天、军事装备、牙齿修复、汽车制造、电子器件等领域. 然而, 其本征脆性导致的低断裂韧性显著限制了其在主承重部件中的规模化应用. 因此, 同步提升Al2O3材料的强度和韧性, 已成为材料领域亟需突破的技术瓶颈. 本综述首先简要概述了Al2O3材料的基本属性, 随后从物相、组分及仿生微纳结构三个方面系统总结了Al2O3材料的强韧化研究进展, 为后续高强高韧陶瓷基复合材料的高效构筑提供理论基础与技术参考.

关键词: Al2O3, 高强度, 高韧性, 物相, 组分, 微纳结构

Alumina (Al2O3) materials are widely utilized in aerospace, military, dental restoration, automobile manufacturing and electronic applications due to their high strength, hardness, and chemical stability. However, their inherent brittleness and low fracture toughness (typically below 4.5 MPa•m1/2) limit their application in load-bearing components. This review systematically summarizes recent advances in strengthening and toughening strategies for Al2O3 and Al2O3-based composites, focusing on three key approaches: phase regulation, compositional optimization, and bioinspired micro-nano structural design. Phase regulation strategies, such as amorphous Al2O3 and crystal-amorphous dual phase structures, enhance toughness through shear band slip and uniform plastic deformation (e.g., amorphous Al2O3 layers achieve tensile strength of 4.8 GPa with 30% strain). Compositional optimization involves introducing secondary phases like oxides (e.g., ZrO2, Y2O3) to refine grains and induce crack deflection (fracture toughness up to 9.38 MPa•m1/2), carbon materials (e.g., graphene, SiC) for crack bridging and branching (40% toughness improvement), and metals (e.g., Cu, Ni) to enhance interfacial bonding and energy dissipation (energy density of 10 J•g-1). Micro-nano structural designs inspired by natural nacre (“brick-mortar” architecture), 3D interlocking, and Bouligand structures achieve synergistic high strength and high toughness via multiscale crack deflection and bridging. Challenges remain in stabilizing amorphous phases, strengthening heterogeneous interfaces, and scaling up biomimetic pure ceramic architectures. Future directions emphasize pure ceramic composites with high-performance, interfacial engineering, and scalable fabrication of hierarchical structures to expand applications in extreme environments. This review provides critical insights and technical guidelines for developing next-generation high-performance Al2O3 and Al2O3-based composites.

Key words: Al2O3, high-strength, high-toughness, phase, component, micro-nano structure