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Al2O3陶瓷具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、优异的绝缘性能、良好的化学稳定性和生物相容性，是目前应用最为广泛的陶瓷材料之一。然而其较低的韧性又极大阻碍在高新技术领域的进一步应用。利用纳米技术将ZrO2添加到Al2O3基体中，可实现相变增韧和纳米颗粒增韧两种增韧方式的叠加，极大提高Al2O3陶瓷材料的力学性能。其中，ZrO2增韧Al2O3(ZTA)纳米复合陶瓷和Al2O3/ZrO2共晶陶瓷两类材料已取得了显著效果，成为增韧Al2O3陶瓷领域的热门材料。
然而由于纳米粉末的团聚和烧结过程中晶粒的异常长大，传统方法很难获得细密均匀的ZTA纳米复合陶瓷，削弱了纳米结构的强韧化作用。针对此问题，本文探索燃烧合成水雾化合成Al2O3/ZrO2固溶体粉末的方法，并对Al2O3/ZrO2固溶体粉末烧结产物的性能开展了系统研究，为固溶析出相变制备ZTA纳米复合陶瓷奠定实验和理论基础。通过对燃烧合成水雾化技术路线优化，以获得极高的冷却速度和足够的保温时间，进而合成高质量的过饱和Al2O3/ZrO2固溶体粉末。该粉末具有规则球形和均匀粒度，其平均颗粒尺寸为~5μm。当ZrO2为30mol%时，Al2O3已基本固溶到ZrO2相中形成固溶体相，实现了Al2O3在ZrO2中的极大固溶。基于液态金属快速凝固理论，利用ANSYS模拟阐述了固溶体形成机理为熔体在极端非平衡凝固过程中发生溶质截留。此外，Al2O3/ZrO2固溶体粉末在烧结过程中原位析出ZrO2和Al2O3，有效避免了晶粒异常长大，形成细密均匀的ZTA纳米复合陶瓷。TEM结果表明该陶瓷呈现晶内/晶间型结构：部分纳米ZrO2颗粒分布在Al2O3晶内；剩余亚微米ZrO2颗粒聚集在晶界处。因此，固溶析出相变实现了在Al2O3基体中弥散析出高密度、细密均匀的ZrO2相。当ZrO2含量为25-37mol%，该陶瓷展现出较高的力学性能，其维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性在17.21±0.25-19.14±0.20GPa、648±21-728±15MPa、6.59±0.35-6.75±0.19MPa·m1/2之间。
为进一步提高力学性能，选用CeO2为相变稳定剂制备了Al2O3/ZrO2(CeO2)固溶体粉末及CeO2/ZTA纳米复合陶瓷。全面研究了三元固溶体粉末的析出行为，三元纳米复合陶瓷的组织结构、力学性能、强韧化机制、以及烧结方式的影响。研究结果表明通过改变CeO2含量可实现复合陶瓷相结构及微观结构的调控：即t-ZrO2含量随CeO2增加而增加，且有少量CeO2与Al2O3结合形成CeAl11O18。由于相结构和微观结构的变化，复合陶瓷强韧性随CeO2含量增加均呈现先增加后减小的趋势。当ZrO2含量为25mol%时，CeO2/ZTA纳米复合陶瓷中CeO2的最佳含量为4mol%，其强度和韧性为832±14MPa、8.12±0.25MPa·m1/2；随着ZrO2含量增加至37mol%，CeO2/ZTA纳米复合陶瓷中CeO2的最佳含量提高到6mol%，其强度和韧性可达到865±24MPa、8.40±0.16MPa·m1/2。相比于热压烧结制备的复合陶瓷，放电等离子烧结制备的复合陶瓷具有较为细密的纳米复合结构，其强度和韧性上升至898±18MPa和8.75±0.28MPa·m1/2。本文对该纳米复合陶瓷强韧化机制的系统研究，揭示了其以ZrO2颗粒强韧化、t-m相变强韧化、残余应力强韧化为主的强韧化机制。
针对共晶陶瓷大尺寸与细密结构之间的矛盾，开展了燃烧合成气雾化合成Al2O3/ZrO2纳米共晶粉末及其烧结产物性能研究，为制备大尺寸高性能Al2O3/ZrO2共晶陶瓷提供了新思路。基于燃烧合成水雾化快冷路线，将冷却介质变成空气以获得相对较低的冷却速度，进而合成Al2O3/ZrO2、Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米共晶粉末。该粉末具有规则球形和均匀粒度，且内部呈典型棒状共晶结构：超细的棒状ZrO2成无序网络状嵌入Al2O3基体中。ANSYS模拟和BSE结果表明，该共晶结构随颗粒尺寸增加而粗化。但由于较高的冷却速度，所有样品的共晶尺寸均保持在纳米尺度。此外，添加的Y2O3能够有效抑制ZrO2相的c-t相变和t-m相变，可通过改变Y2O3含量构建不同ZrO2相结构的Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米共晶粉末。共晶粉末经烧结致密后形成细密均匀的Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合陶瓷，实现了宏观尺寸的可控性。该陶瓷的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度分别可达648±27MPa、7.39±0.36MPa·m1/2、19.27±0.55GPa。
然而由于纳米粉末的团聚和烧结过程中晶粒的异常长大，传统方法很难获得细密均匀的ZTA纳米复合陶瓷，削弱了纳米结构的强韧化作用。针对此问题，本文探索燃烧合成水雾化合成Al2O3/ZrO2固溶体粉末的方法，并对Al2O3/ZrO2固溶体粉末烧结产物的性能开展了系统研究，为固溶析出相变制备ZTA纳米复合陶瓷奠定实验和理论基础。通过对燃烧合成水雾化技术路线优化，以获得极高的冷却速度和足够的保温时间，进而合成高质量的过饱和Al2O3/ZrO2固溶体粉末。该粉末具有规则球形和均匀粒度，其平均颗粒尺寸为~5μm。当ZrO2为30mol%时，Al2O3已基本固溶到ZrO2相中形成固溶体相，实现了Al2O3在ZrO2中的极大固溶。基于液态金属快速凝固理论，利用ANSYS模拟阐述了固溶体形成机理为熔体在极端非平衡凝固过程中发生溶质截留。此外，Al2O3/ZrO2固溶体粉末在烧结过程中原位析出ZrO2和Al2O3，有效避免了晶粒异常长大，形成细密均匀的ZTA纳米复合陶瓷。TEM结果表明该陶瓷呈现晶内/晶间型结构：部分纳米ZrO2颗粒分布在Al2O3晶内；剩余亚微米ZrO2颗粒聚集在晶界处。因此，固溶析出相变实现了在Al2O3基体中弥散析出高密度、细密均匀的ZrO2相。当ZrO2含量为25-37mol%，该陶瓷展现出较高的力学性能，其维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性在17.21±0.25-19.14±0.20GPa、648±21-728±15MPa、6.59±0.35-6.75±0.19MPa·m1/2之间。
为进一步提高力学性能，选用CeO2为相变稳定剂制备了Al2O3/ZrO2(CeO2)固溶体粉末及CeO2/ZTA纳米复合陶瓷。全面研究了三元固溶体粉末的析出行为，三元纳米复合陶瓷的组织结构、力学性能、强韧化机制、以及烧结方式的影响。研究结果表明通过改变CeO2含量可实现复合陶瓷相结构及微观结构的调控：即t-ZrO2含量随CeO2增加而增加，且有少量CeO2与Al2O3结合形成CeAl11O18。由于相结构和微观结构的变化，复合陶瓷强韧性随CeO2含量增加均呈现先增加后减小的趋势。当ZrO2含量为25mol%时，CeO2/ZTA纳米复合陶瓷中CeO2的最佳含量为4mol%，其强度和韧性为832±14MPa、8.12±0.25MPa·m1/2；随着ZrO2含量增加至37mol%，CeO2/ZTA纳米复合陶瓷中CeO2的最佳含量提高到6mol%，其强度和韧性可达到865±24MPa、8.40±0.16MPa·m1/2。相比于热压烧结制备的复合陶瓷，放电等离子烧结制备的复合陶瓷具有较为细密的纳米复合结构，其强度和韧性上升至898±18MPa和8.75±0.28MPa·m1/2。本文对该纳米复合陶瓷强韧化机制的系统研究，揭示了其以ZrO2颗粒强韧化、t-m相变强韧化、残余应力强韧化为主的强韧化机制。
针对共晶陶瓷大尺寸与细密结构之间的矛盾，开展了燃烧合成气雾化合成Al2O3/ZrO2纳米共晶粉末及其烧结产物性能研究，为制备大尺寸高性能Al2O3/ZrO2共晶陶瓷提供了新思路。基于燃烧合成水雾化快冷路线，将冷却介质变成空气以获得相对较低的冷却速度，进而合成Al2O3/ZrO2、Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米共晶粉末。该粉末具有规则球形和均匀粒度，且内部呈典型棒状共晶结构：超细的棒状ZrO2成无序网络状嵌入Al2O3基体中。ANSYS模拟和BSE结果表明，该共晶结构随颗粒尺寸增加而粗化。但由于较高的冷却速度，所有样品的共晶尺寸均保持在纳米尺度。此外，添加的Y2O3能够有效抑制ZrO2相的c-t相变和t-m相变，可通过改变Y2O3含量构建不同ZrO2相结构的Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米共晶粉末。共晶粉末经烧结致密后形成细密均匀的Al2O3/ZrO2(Y2O3)复合陶瓷，实现了宏观尺寸的可控性。该陶瓷的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度分别可达648±27MPa、7.39±0.36MPa·m1/2、19.27±0.55GPa。