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本文首次将透辉石和Al-Ti-B中间合金用于增韧补强无压烧结Al2O3基陶瓷材料，通过注浆—冷等静压—液相反应—温度梯度无压烧结工艺，研制成功两种新型Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料。对其组分设计、力学性能、微观结构、增韧机理、摩擦磨损特性和机理等进行了系统的研究；提出了透辉石和Al-Ti-B中间合金对Al2O3基陶瓷材料的晶粒细化机理；建立了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的烧结动力学模型。提出了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的设计目标和添加相的选择原则，确定透辉石和Al-Ti-B中间合金为增强相；分析了添加相与基体材料之间的物理化学相容性，计算了添加相的极限体积含量。利用X射线衍射分析了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的相组成；根据复合陶瓷材料烧结模型和晶粒变化模型，初步确定了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的烧结温度和保温时间。通过注浆—冷等静压—液相反应—温度梯度无压烧结工艺，研制成功两个系列的新型Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料：Al2O3／透辉石（AD）和Al2O3／Al-Ti-B／透辉石（ABD）。AD陶瓷导轨材料的最佳力学性能参数为：硬度15.57 GPa、抗弯强度417 MPa、断裂韧性5.2 MPa·m1／2。ABD陶瓷导轨材料的最佳力学性能参数为：硬度16.02 GPa、抗弯强度370 MPa、断裂韧性5.11 MPa·m1／2。试验研究了添加相含量对AD和ABD陶瓷导轨材料力学性能的影响，AD陶瓷导轨材料中透辉石的最佳含量为3 vol．％；ABD陶瓷导轨材料中透辉石和Al-Ti-B中间合金的最佳含量分别为6 vol．％和4 vol．％。探讨了烧结温度和保温时间对AD和ABD陶瓷导轨材料力学性能的影响，得出了AD和ABD陶瓷导轨材料的最佳烧结工艺参数：即烧结温度为1520℃、保温时间分别为140 min和180min。对无压烧结Al2O3基结构陶瓷导轨材料的微观结构及其增韧机理进行了研究，探讨了烧结工艺及透辉石含量对AD和ABD陶瓷导轨材料微观结构的影响，研究结果表明，烧结温度对Al2O3基结构陶瓷导轨材料微观结构的影响较明显，主要表现为其断口晶粒出现异常长大；随着烧结温度提高，陶瓷导轨材料的晶粒生长驱动力增加，其断口平均晶粒尺寸增大。延长保温时间，Al2O3基结构陶瓷导轨材料晶粒尺寸基本不变，但其断裂模式发生变化。纯Al2O3陶瓷材料晶粒形状规则，基本呈现圆形，晶粒发育不完善，晶粒间存在较多的空隙或孔洞，晶界结合强度较弱，其断口断裂模式以沿晶断裂为主。AD和ABD陶瓷导轨材料的微观组织均匀细化，结构致密，晶粒为不规则的角状，断口出现韧窝，呈现明显的韧性断裂方式，空隙或孔洞基本已经消除。透辉石和Al-Ti-B中间合金的加入改变了Al2O3基结构陶瓷导轨材料的断裂模式，在其烧结过程提供液相，液相通过流动填补基体空隙或孔洞，降低了陶瓷导轨材料的孔隙率；同时，添加相与Al2O3基体之间界面反应的发生使其晶粒之间的结合力加强；AD陶瓷导轨材料增韧机制为晶粒细化强化以及裂纹偏转、弯曲和分支，ABD陶瓷导轨材料增韧机制主要包括晶粒细化效应、分散相小颗粒对裂纹的钉扎、裂纹弯曲和扭转以及微裂纹增韧和裂纹分岔。分析并讨论了透辉石和Al-Ti-B中间合金对Al2O3基结构陶瓷导轨材料的晶粒细化机理。透辉石中的MgO在烧结过程中与Al2O3发生界面反应生成镁铝尖晶石薄层，包裹在Al2O3粒子表面，使Al2O3晶粒之间的质点扩散受到抑制，从而抑制晶界移动，达到晶粒细化的效果。过多的尖晶石相易使Al2O3晶粒异常长大，并造成陶瓷导轨材料坯体气孔率高。本文中透辉石添加量小于6 vol．％时能够形成适量镁铝尖晶石，并有效抑制Al2O3晶粒的发育生长。Al-Ti-B中间合金的晶粒细化作用主要来自于其对金属Al优良的晶粒细化特性，微小的Al颗粒在氮化之前有充分的时间聚集在Al2O3颗粒周围，抑制Al2O3晶粒发育生长。同时AlN、TiN相是在制备过程中原位生成的，而且粒度小至纳米级，分布在Al2O3晶粒周围，抑制其发育生长。提出了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料液相—反应烧结致密化物理模型。通过绘制1gΔL／L0～1gt图，用最小二乘法计算了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的表观激活能，并判断其液相烧结机理为扩散机制控制。根据烧结温度和保温时间对陶瓷导轨材料线收缩率的影响，建立了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的烧结动力学方程；纯Al2O3陶瓷材料的烧结特征指数n约为2.5，其烧结过程中的物质迁移机制由体扩散控制；AD和ABD陶瓷导轨材料的烧结特征指数n值介于2.5与3.0之间，其烧结过程中的物质迁移机制既有体扩散，也有晶界扩散。采用温度梯度无压烧结工艺试制了规格为900 mm×70 mm×70 mm的Al2O3基大型结构陶瓷导轨。对Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料摩擦磨损特性进行理论预测，建立了基于拉伸应力的摩擦磨损模型；对无压烧结制备的Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的摩擦磨损性能进行了试验研究，并对其磨损表面微观形貌进行了观察和分析，探讨了Al2O3基大型结构陶瓷导轨材料的磨损机理。研究结果表明，透辉石和Al-Ti-B中间合金的加入有利于改善复合陶瓷导轨材料的摩擦特性和耐磨损性能；干摩擦条件下，AD和ABD陶瓷导轨材料的摩擦系数均随着载荷和转速的增加而降低；AD和ABD陶瓷导轨材料的摩擦系数低于纯Al2O3陶瓷；油润滑条件下，纯Al2O3陶瓷的摩擦系数为0.02～0.07，AD和ABD陶瓷导轨材料的摩擦系数为0.01～0.05，能够获得塑料导轨材料在油润滑条件下的摩擦系数。纯Al2O3陶瓷磨损率的数量级为10-15 m3／N·m，AD和ABD陶瓷导轨材料磨损率的数量级为10-16 m3／N·m；纯Al2O3陶瓷的磨损机理为脆性断裂和晶粒剥落，AD和ABD陶瓷导轨材料的磨损机理为机械冷焊、塑性变形、微断裂和晶粒剥落。