可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的制備技術及其研究現狀與趨勢

江 濤，韓慢慢，付 甲

(西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065)

0 引言

陶瓷材料具有較高的力學性能、硬度，良好的耐磨損性能。由于陶瓷硬度較高，導致陶瓷的可加工性能較差且機械加工成本較高。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相復合制備可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷復合材料具有較高的力學性能和優良的可加工性能?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷主要有Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復合材料。本文主要闡述可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的制備技術和研究發展現狀，以及可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的物相組成、顯微結構、力學性能、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/氧化物陶瓷復合材料的未來發展方向和發展趨勢進行分析和預測。

1 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的制備技術

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

2 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的研究發展現狀

磷酸鹽/氧化物復合陶瓷是由Al2O3、ZrO2和LaPO4、CePO4形成的復合物。其中，Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4復相陶瓷可用傳統的硬質合金刀具進行加工。本文主要分析Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4復合材料的物相組成、顯微結構、力學性能、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/氧化物陶瓷復合材料的研究發展現狀和發展趨勢。

2.1 Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料的研究發展現狀

可以在氧化鋁(Al2O3)陶瓷材料中添加磷酸鑭(LaPO4)相復合形成可加工Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料?？杉庸l2O3/LaPO4陶瓷復合材料具有較高的力學性能和良好的可加工性能。Gong 等[1]研究了可加工Al2O3/LaPO4復合材料在N2氣氛中的無壓燒結制備工藝。在N2氣氛中采用無壓燒結制備了Al2O3/LaPO4復合材料；研究了燒結溫度和燒結時間對Al2O3/LaPO4復合材料致密化過程的影響，以及LaPO4含量對Al2O3/LaPO4復合材料的力學性能和微觀結構的影響。LaPO4含量為30wt.%的LaPO4/Al2O3復合材料可以使用硬質合金鉆頭進行機械加工。Min 等[2]研究了LaPO4/Al2O3復合材料的熱學性能和力學性能，將LaPO4和Al2O3的混合物干壓成圓盤或棒狀。當樣品在1600 ℃下、空氣中燒結5 h 時，燒結試樣的相對密度大于94 %，燒結試樣的表觀孔隙率小于6 %。研究發現，燒結工藝制備的LaPO4/Al2O3陶瓷是可以進行機械加工。這些燒結陶瓷樣品可以使用傳統的WC 硬質合金鉆頭進行鉆孔。燒結工藝制備的LaPO4-Al2O3復合材料具有良好的熱學性能和較高的力學性能。Zhang 等[3]研究了LaPO4/Al2O3微納米復合陶瓷的研磨特性及去除機理。燒結工藝制備的LaPO4/Al2O3復合陶瓷采用平面磨床進行研磨實驗。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，以及陶瓷研磨表面的微觀結構。其主要的破裂模式是在層狀LaPO4的顆粒內。

Wang 等[4]研究了可加工Al2O3/LaPO4復合材料和梯度功能材料的制備和性能。系統研究了Al2O3-LaPO4復合材料體系的化學可比性，將梯度結構概念應用于可加工Al2O3-LaPO4復合陶瓷的設計。采用粉末分層和熱壓燒結工藝制備可加工Al2O3/LaPO4功能梯度材料并對其進行顯微結構和性能表征。Wang 等[5]研究了可加工Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料的性能和微觀結構。在Al2O3陶瓷基體中加入層狀結構的LaPO4，以提高復合材料的可加工性能，不同的燒結溫度分別為 1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃、1600 ℃，制備不同的LaPO4含量的Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料。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，對硬度和微觀結構進行研究。X 射線衍射分析結果表明，燒結至1600℃時，在Al2O3/LaPO4復合材料中僅存在Al2O3和LaPO4相，而沒有其他相存在。其中，LaPO4含量不同。Al2O3/LaPO4復合材料的體積密度、硬度、微觀結構在很大程度上取決于LaPO4含量和燒結溫度。由于LaPO4的層狀結構、Al2O3和 LaPO4相之間的弱界面，Al2O3/40wt.%LaPO4復合材料可以使用硬質合金鉆頭進行機械加工。Wang 等[6]研究了熱壓燒結工藝制備可加工Al2O3/LaPO4復合材料的顯微組織與力學性能。采用熱壓燒結法制備了Al2O3/LaPO4復合材料，并對其Al2O3/LaPO4復合材料的微觀結構和力學性能進行研究。由于晶界擴散性和遷移率降低，層狀LaPO4晶粒抑制了Al2O3/LaPO4復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之間形成弱結合界面，細小且均勻的微觀結構沒有改善斷裂強度和彈性模量。添加40wt.%LaPO4并在1450 ℃下，燒結工藝制備的Al2O3/LaPO4復合材料的彎曲強度達到331 MPa 和維氏硬度達到4.69GPa。結果表明，引入層狀結構LaPO4的界面分散相后，硬度顯著降低從而導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復合材料組織和切削性能的影響。根據磷酸鑭(LaPO4)含量(10wt.%、20wt.%、30wt.%、40wt.%)的變化，研究了Al2O3/LaPO4復合材料的微觀結構、力學性能和可加工性能。X 射線衍射分析表明，Al2O3/LaPO4復合材料中只有Al2O3和LaPO4相存在。在燒結溫度(1600 ℃，2h)下LaPO4含量不同。Al2O3和LaPO4相的弱結合界面可能是降低硬度和改善復合材料的可加工性能的原因。LaPO4含量對Al2O3/LaPO4復合材料的體積密度，硬度和微觀結構有顯著影響。當LaPO4的含量增加至30wt.% 時，可以使用硬質合金鉆頭來對Al2O3/LaPO4復合材料進行機械加工。Wang 等[8]研究了可加工Al2O3/LaPO4功能梯度材料的設計、制造和表征，提出了一種基于分級結構概念的可加工陶瓷復合材料的新設計方法并應用于可加工Al2O3/LaPO4陶瓷的設計中。通過放電等離子燒結工藝在1350 ℃下，燒結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復合材料的可加工性能得到改善和提高，可歸因于Al2O3/LaPO4弱結合的形成和層狀結構LaPO4的加入。獨石型LaPO4具有優異的解理面，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。這種設計可以提高復合材料的可加工性能，同時可以使Al2O3陶瓷的力學性能小幅降低。使得Al2O3/LaPO4復合材料在具有良好的可加工性能的前提下，具有較高的力學性能。

Badolia 等[9]研究了LaPO4含量對Al2O3的可加工性能、微觀結構和生物學性能的影響，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。燒結產品的物相分析發現，添加LaPO4可賦予氧化鋁陶瓷機械加工性能，在微觀結構中觀察到良好的 LaPO4顆粒分布。Badolia 等[10]研究了活性Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料作為可加工生物陶瓷。采用反應合成技術制備的市售活性氧化鋁和純磷酸鑭(LaPO4)通過燒結工藝制備了Al2O3/LaPO4復合材料。LaPO4含量在10wt.%和50wt.%之間變化，燒結工藝在1400 ℃和1600 ℃之間進行。對經過燒結工藝得到的Al2O3/LaPO4燒結復合材料的物相分析、致密化過程、強度、可加工性能、微觀結構進行表征，發現 LaPO4的添加降低了Al2O3/LaPO4復合材料的致密化程度和強度值。但是，Al2O3/LaPO4復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 陶瓷復合材料和Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料，設計和制造并表征了可加工Si3N4/h-BN 復合材料和Al2O3/LaPO4復合材料。Zhu 等[12]研究了Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料的微觀結構。在Al2O3陶瓷基體中加入層狀結構的LaPO4，提高了Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料的可加工性能。研究了Al2O3/LaPO4陶瓷復合材料在不同燒結溫度(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陶瓷復合材料，以及純LaPO4的微觀結構。Al2O3/LaPO4復合材料的微觀結構在很大程度上取決于LaPO4含量和燒結溫度。Al2O3/LaPO4復合材料具有較高的力學性能和良好的可加工性能。

Zheng 等[13]研究了Al2O3/LaPO4復合材料的新制備工藝和結構。在Al2O3陶瓷基體中加入LaPO4，可提高復合材料的可加工性能。與傳統制備Al2O3/LaPO4復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2 h，燒結成Al2O3/LaPO4復合材料。根據LaPO4含量(10wt.%、20wt.%、30wt.%、40wt.%)的變化，提出Al2O3/LaPO4復合材料的物相組成和微觀結構。從透射電鏡(TEM)圖像可以看出：涂覆的粉末具有透明的核——殼結構，并且涂層的厚度約為5 nm。X 射線衍射分析表明：Al2O3/LaPO4復合材料中僅存Al2O3和LaPO4相，表明Al2O3和LaPO4相之間具有良好的化學相容性。采用掃描電鏡研究了 Al2O3/LaPO4復合材料的微觀結構，燒結后涂層結構變得不易識別。隨著LaPO4添加量的增加，在Al2O3/LaPO4復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合材料的可加工性能。

Badolia 等[14]研究了用于生物醫學應用的含磷酸鑭的可加工氧化鋁陶瓷。采用兩種商業級氧化鋁和合成制備的磷酸鑭制備Al2O3/LaPO4鹽復合材料。通過改變10wt.%至50wt.%的LaPO4含量來制備復合材料，將混合粉末在1400 ℃和1600 ℃之間壓制并燒結制備復合材料。研究了燒結產品的顯微結構表征以及各種性能。物相組成分析證實：不同燒結溫度分別存在Al2O3和LaPO4相，并發現燒結溫度和引入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粉末的合成與燒結及其應用。采用氧化鑭與磷酸的直接固液反應，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。通過SEM 和TEM分析研究了合成粉末燒結的 LaPO4陶瓷和Al2O3/LaPO4復合材料的微觀結構，觀察到層狀晶體結構和LaPO4晶粒內部以及Al2O3/LaPO4復合材料界面處的大量位錯。低硬度、多位錯和位錯網絡表明，層狀LaPO4陶瓷具有優異的可加工性能，制造并表征了具有弱結合界面的可加工Al2O3/LaPO4復合材料。

龔國良等[16]研究了低溫燃燒合成Al2O3/LaPO4復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復合粉末。熱壓燒結制備的Al2O3/LaPO4復合材料的相對密度為98.5 %。Al2O3/LaPO4復合材料具有較高的彎曲強度和斷裂韌性。Sujith 等[17]研究了基于LaPO4的復合耐火材料的燒結和抗熱震性能。獨石型稀土磷酸鹽(REPs)是低導熱率(＜5W·m-1·K-1)的高溫穩定多晶陶瓷。由于其層狀結構和延展性而具有獨特的耐損傷性。LaPO4因與Al2O3和ZrO2的低反應性而成為許多REP 中候選陶瓷。純LaPO4相的抗蠕變性差，在高溫下機械強度低，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。在這項工作中，研究了Al2O3/LaPO4陶瓷的常規燒結以及LaPO4對Al2O3陶瓷納米復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合材料，使用流延成型技術制備了Al2O3/LaPO4的多層復合材料。將生坯在氬氣氣氛下、于1280℃進行熱壓。研究幾何因素對多層復合材料力學性能的影響，發現層狀復合材料的斷裂功高達1100 J/m2。

2.2 Al2O3/CePO4陶瓷復合材料的研究發展現狀

可以向Al2O3陶瓷材料中添加CePO4相復合形成可加工Al2O3/CePO4陶瓷復合材料。其具有較高的力學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復合材料和 Al2O3/CePO4復合材料。通過RE2(CO3)3·xH2O(RE=La 或Ce)1100 ℃反應燒結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復合材料。添加LiF 的Al(H2PO4)3和Al2O3，與先前報道的UPC-3Ds 具有三維網絡結構的均勻多孔復合材料。例如：CaZrO3/MgO 系統相似，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構。X 射線衍射、31P 幻角旋轉核磁共振、掃描電鏡和水銀孔隙率法揭示了多孔復合材料的結構。Majeed 等[20]研究了LaPO4增強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復合材料的顯微結構、力學性能和可加工性能的影響；研究了含有不同CePO4含量對Al2O3/CePO4復合材料的顯微結構、力學性能和可加工性能的影響。

2.3 ZrO2/LaPO4陶瓷復合材料的研究發展現狀

可以向ZrO2陶瓷材料中添加LaPO4相復合形成可加工ZrO2/LaPO4陶瓷復合材料。其具有較高的力學性能和良好的可加工性能。Min 等[21]研究了燒結工藝制備的可加工LaPO4/ZrO2復合材料的熱學性能和力學性能。采用濕法沉淀和機械化學反應方法合成了獨石型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1 h、3 h 和5 h，實現了復合材料的相對密度大于96.8 %。研究發現這些LaPO4含量比例大于25 %的復合材料和單相LaPO4是可加工的。燒結工藝制備的LaPO4/ZrO2復合材料可以使用傳統的碳化鎢加工工具進行切割和鉆孔。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 射線衍射結果表明：至少在1600 ℃空氣中LaPO4不與ZrO2反應。研究了燒結工藝制備的LaPO4/ZrO2復合材料的線性熱膨脹系數、熱導率、彎曲強度和楊氏模量。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構的YSZ(氧化釔穩定氧化鋯)、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、孔隙率和微觀結構。結果表明：含有LaPO4的涂層中孔隙率的體積百分比高于單相YSZ(氧化釔穩定氧化鋯)樣品。這可能是由于LaPO4相的導熱系數較低所致。此外，結果表明：YSZ/LaPO4復合涂層中剩余孔隙的量高于單相YSZ。在經過1000 ℃、120 h 等溫氧化后，復合涂層中熱生長氧化物層的厚度高于YSZ 涂層，因為復合涂層具有較高的孔隙率和耐燒結性能。最后研究了常規YSZ 和納米結構YSZ 涂層的等溫抗氧化性能。

Zhou 等[23]研究了液態前驅體滲透法制備可加工Y-TZP/LaPO4復合陶瓷。將LaPO4液體前驅體滲透到 Y-TZP 多孔陶瓷中，制備了可加工的Y-TZP/LaPO4復合陶瓷。添加30vol %石墨制備具有35vol %開孔體積的燒結Y-TZP 陶瓷。通過滲透和熱解循環獲得含有不同 LaPO4含量的Y-TZP/LaPO4復合陶瓷。研究了Y-TZP/LaPO4復合材料的可加工性能和力學性能。結果表明含有2.3vol%至7.5vol %LaPO4的可加工Y-TZP/LaPO4復合陶瓷具有良好的機械加工性能和較高的力學性能。趙英娜等[24]利用壓痕—淬冷法研究LaPO4-ZrO2復合陶瓷材料的抗熱震性能。測定了不同LaPO4含量的LaPO4-ZrO2復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展模式。結果表明：1550 ℃燒結的LaPO4-ZrO2復合陶瓷中，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可加工復相陶瓷。并研究了采用液相浸滲法制備的Y-TZP/LaPO4可加工復相陶瓷的制備工藝、物相組成、顯微結構、力學性能以及可加工性能。研究表明：Y-TZP/LaPO4可加工復相陶瓷具有較高的力學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合材料的顯微組織和力學性能評價。研究了燒結工藝制備的可加工LaPO4/ZrO2復合陶瓷材料的制備工藝、物相組成、顯微結構、力學性能、可加工性能。研究表明：LaPO4/ZrO2復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和熱腐蝕行為。LaPO4粉末采用化學共沉淀和煅燒方法生產。該陶瓷顯示出獨石結構在1400 ℃下保持穩定相100 h，具有低導熱率。通過等離子噴涂制備LaPO4/Y2O3部分穩定的 ZrO2(LaPO4/YSZ)雙陶瓷層熱障涂層。熱循環測試表明：LaPO4/YSZ 雙陶瓷層熱障涂層的散裂最初發生在LaPO4涂層中。失效模式類似于許多新開發的熱障涂層，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腐蝕具有很強的抵抗力。

Li 等[28]研究了ZrO2/LaPO4復合材料的微觀結構、力學性能和抗熱震性能。制備了不同LaPO4含量為0—30vol %的4YSZ-LaPO4復合材料。研究了LaPO4含量對ZrO2-LaPO4復合材料的顯微組織、力學性能和抗熱震性能的影響。隨著獨石型LaPO4含量的增加，4YSZ-LaPO4復合材料的維氏硬度、彎曲強度和斷裂韌性逐漸降低，而抗熱震性能明顯提高。結果表明：在空氣中淬火時，4YSZ/30vol %LaPO4復合材料的臨界熱震溫度差(ΔTc)為1400 ℃，比整體式4YSZ 高400 ℃。4YSZ-LaPO4復合材料抗熱震性能的提高主要因為斷裂韌性與抗彎強度的比值較高以及ZrO2和LaPO4之間弱結合界面處的裂紋偏轉和橋接導致。Li 等[29]研究了采用壓痕技術評價致密氧化鋯基復合材料的抗熱震性能。采用基于維氏裂紋擴展的壓痕—淬火法，對含有 0vol %、15vol %、30vol %LaPO4的3Y-TZP/LaPO4復合材料的抗熱震性能進行了評價。初步研究了LaPO4粒子尺寸對3Y-TZP/LaPO4復合材料抗熱震性能的影響。結果表明：900 ℃燒結含有 15vol %LaPO4的3Y-TZP/LaPO4復合材料在水淬條件下，表現出更好的抗裂紋擴展和抗熱震性能。較大粒度或較高含量的LaPO4會降低3Y-TZP/LaPO4復合材料的抗熱震性能，通過抗熱震性能參數的計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復合材料的抗熱震性能。對顯微組織、力學性能和熱震參數進行了評估和討論。根據理論計算的熱震值和實驗結果表明，含LaPO4的復合材料在1100 ℃煅燒1 h 時，具有更強的抗熱震破壞性。Mezentseva 等[31]研究了溶膠—凝膠法合成前驅體并制備基于LaPO4添加Y2O3和ZrO2的陶瓷復合材料。通過溶膠—凝膠技術合成了納米粉末作為前驅體。通過常規燒結工藝制備LaPO4-Y2O3和LaPO4-ZrO2陶瓷復合材料。溶膠—凝膠技術基于使用逆沉淀或逆絮凝技術分別合成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，燒結這些組合物來制備陶瓷復合材料，發現維氏顯微硬度取決于燒結溫度。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的顯微結構和抗熱震性能。LaPO4/ZrO2復合材料是通過流延成型和在空氣中進行無壓燒結而制備的，解決了添加LaPO4對復合材料顯微組織和抗熱震性的影響。通過空氣淬火和三點彎曲試驗評估復合材料的抗熱震性能以確定強度降低。使用不添加LaPO4的ZrO2陶瓷進行平行實驗的結果進行了比較。當從470 ℃熱淬火時，參比ZrO2陶瓷顯示出預期的強度降低。相比之下，LaPO4/ZrO2陶瓷雖然相對于參比ZrO2陶瓷顯示出的強度降低，但在抗熱震條件下卻顯示出最小程度的強度降低。

Shijina 等[33]利用沉淀—肽合成法處理的LaPO4/ZrO2陶瓷納米復合材料的導熱系數非常低。采用了涉及沉淀—肽化機理的濕化學合成方法來開發LaPO4/ZrO2納米復合材料，其ZrO2含量在5 wt.%—20wt.%的范圍內變化。與正磷酸的沉淀反應過程中以納米原纖維形式形成的化學計量的LaPO4，隨后在pH2膠溶后轉化為寬度約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顆粒被均勻地摻入。對于在1600 ℃下燒結的LaPO4-10wt.%ZrO2納米復合材料，可以將由此獲得納米復合材料燒結體致密度達到大于98%。對于LaPO4-20wt.%ZrO2納米復合材料，向LaPO4中添加ZrO2阻礙了致密化，并且抑制了高達50%的晶粒生長。此外與單相LaPO4相比，納米復合材料的導熱系數值非常低(1 W·m-1·K-1)，LaPO4和ZrO2在高溫下不發生反應。LaPO4/ZrO2的低熱導率值使其對高溫絕熱應用有效。徐旭東等[34]研究了LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復合材料的力學性能和切削性能。通過掃描電鏡(SEM)和力學性能實驗機研究了LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復合材料的力學性能、可塑性和加工機理。結果表明：LaPO4的增加導致LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復合材料的可加工性提高和力學性能下降。加入30%LaPO4可以改善LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復合材料的力學性能，并可對LaPO4/Y-ZrO2陶瓷復合材料進行機械加工。

2.4 ZrO2/CePO4陶瓷復合材料的研究發展現狀

可以向ZrO2中添加CePO4相復合形成可加工ZrO2/CePO4陶瓷復合材料。其具有較高的力學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含量和燒結溫度對其力學性能的影響。分別使用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)以及X 射線衍射(XRD)對產物的微觀結構和物相組成進行了表征。當CePO4含量為25wt.%時，CePO4涂層包覆的ZrO2的可加工性能指數經過計算為1.05。當燒結溫度為1400 ℃時，樣品的維氏硬度為7.08 GPa、彎曲強度為457.85 MPa、斷裂韌性為 9.75 MPa·m1/2。結果表明：制備的CePO4涂層包覆3Y-TZP 陶瓷是非常適合應用的生物材料。Zhou 等[36]研究了液體前驅體滲透法制備可加工Ce-TZP/CePO4復合陶瓷。采用新工藝制備Ce-TZP/CePO4復合陶瓷，即將CePO4液體前驅體滲透到Ce-TZP 多孔陶瓷中。通過添加30vol%的石墨來開發具有35vol%開孔體積的燒結Ce-TZP陶瓷預制件。通過滲透和熱解循環獲得含有不同CePO4含量的Ce-TZP/CePO4復合陶瓷，研究了其可加工性能和力學性能。結果表明：Ce-TZP/CePO4復合陶瓷可以使用傳統的碳化鎢加工工具進行切割和鉆孔。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復合材料含有2vol%—7.5vol%CePO4，具有良好的機械加工性能和較高的力學性能。并且研究和討論了Ce-TZP/CePO4復合材料的微觀結構與力學性能之間的關系。

Xu 等[37]研究了參數對CePO4/ZrO2可加工陶瓷微觀結構的影響，將CePO4粉末加入到ZrO2粉末中以制備復合粉末。實驗采用兩種分散方法(包括機械混合法和多相懸浮液絮凝法)制備復合粉末。通過機械混合方法制備的復合粉末分別在1450 ℃、1550 ℃、1600 ℃條件下燒結。掃描電鏡(SEM)結果表明：在1550 ℃燒結的樣品微觀結構優于其他樣品。Yu 等[38]研究了Ce-ZrO2/CePO4陶瓷的可加工特性。制備了Ce-ZrO2和獨石型CePO4的兩相混合物Ce-ZrO2/CePO4陶瓷。進行鉆削和研磨實驗來研究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，復合材料的鉆孔材料去除率增加。實驗結果表明：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復相陶瓷材料的可加工機理。劉志鋒等[40]研究了一種新型可加工Ce-ZrO2/CePO4復合陶瓷材料的可加工性能、制備工藝、力學性能。結果表明：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，實現Ce-ZrO2/CePO4復合陶瓷材料可以使用金屬加工工具進行機械加工。

3 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的顯微結構和性能總結

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。文獻資料研究結果表明：可加工相LaPO4和CePO4均勻地分布在Al2O3和ZrO2基體中。由于LaPO4和CePO4的力學性能較低，可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的力學性能隨著可加工磷酸鹽 LaPO4和CePO4的加入量增加而逐漸降低；復相陶瓷的密度和相對密度、抗彎強度和斷裂韌性、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。同時，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/氧化物陶瓷復合材料的未來發展趨勢

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料具有較高的力學性能、良好的耐磨損性能以及優良的可加工性能，是主要的研究發展方向。目前，磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料主要有 Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復合材料。磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的未來研究方向首先需要研究和開發新型復合材料；研究和開發新型的稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料，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等復合材料。并積極研究稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷材料在工程領域的應用。

5 可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料需要著重研究和發展的領域和方向

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料具有較高的力學性能、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行研究和發展。

（1）可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的力學性能有待進一步改善和提高。由于加入LaPO4相和CePO4相，導致可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷的力學性能顯著降低。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，這些增強相會顯著提高復相陶瓷的力學性能。此外，還可以制備納米復相陶瓷。

（2）需要對可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料在工程領域的實際應用進行研究和探索。由于可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料可能應用到耐磨損工程領域、耐腐蝕工程領域、耐高溫工程領域，研究可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復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/氧化物陶瓷復合材料進行表面改性和表面硬化與強化處理，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/氧化物陶瓷進行機械加工制成零部件后，再進行后處理工藝提高復相陶瓷的表面硬度和耐磨損性能。

6 結論與展望

可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料具有較高的力學性能、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，同時還具有優良的可加工性能?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷復合材料是目前可加工陶瓷材料的主要研究和發展方向?？杉庸ち姿猁}/氧化物陶瓷主要有Al2O3/LaPO4、Al2O3/CePO4、ZrO2/LaPO4、ZrO2/CePO4等復合材料。并對可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的未來研究和發展趨勢進行分析和預測：(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行新型復合材料，增加基體相的種類并擴大基體相的范圍，研究和開發新型的稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料。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，這些增強相顯著提高復相陶瓷的力學性能。(3)研究可加工磷酸鹽/氧化物陶瓷復合材料的耐磨損性能、耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能，并積極研究和開發可加工稀土磷酸鹽/氧化物陶瓷材料在工程領域中的應用。