autumn 钛酸铝（Al2TiO5）是一种新型的陶瓷材料，最大特点是集低热膨胀系数和高熔点、耐高温于一身。其宏观热膨胀系数很低（<1×10-6/℃），熔点可达1860℃，可承受1400℃熔融铁水的热冲击，也可在1400℃的高温下长期使用。因此在工业技术领域常作为耐火内衬、保护管套、催化剂载体等使用。
钛酸铝陶瓷之所以有很低的热膨胀系数，首先与其晶体结构有关。一般认为，钛酸铝晶体是一种假板钛矿结构，铝氧八面体和钛氧八面体在a、b轴方向两两共边相连形成双链，在c轴方向则是三个共顶形成单链，从而形成空间网络状结构。由于铝氧八面体和钛氧八面体中存在较大的空隙，结构较松弛，原子热振动的空间较大，因此热膨胀系数较小。但更重要的原因则是源于其热膨胀系数的各向异性，其a、b、c三个方向的热膨胀系数分别为9.8×10-6/℃、20.6×10-6/℃和1.4×10-6/℃，a、b方向的热膨胀系数远大于c方向。这使得钛酸铝陶瓷烧结冷却过程中产生内部热应力，并导致内部出现大量微裂纹。就是这些微裂纹的存在，使得钛酸铝陶瓷在之后在温度急剧变化的应用场景中，可以抵消大部分a、b轴方向的热膨胀变化，从而显示出极低的宏观热膨胀率，甚至会出现零膨胀或负膨胀。
不过，也正是因为大量内部微裂纹的存在，导致钛酸铝陶瓷的结构很不完整，机械强度非常低。此外，钛酸铝还有一个比较严重的缺点，也与其晶体结构有关：由于Al3+离子半径较小，与氧的结合力较弱，受热时振幅偏大，使铝氧八面体发生变形；部分高能量的Al3+离子甚至会脱离平衡位置，使得八面体空隙进一步变形，并影响到周围的铝氧八面体和钛氧八面体。因此，钛酸铝陶瓷的热稳定性不太好，在850～1200℃ 温度范围内易发生分解。这两个严重的缺点，大大限制了钛酸铝的应用范围。而如何提高热稳定性，并在保持其热性能的同时增强其机械强度，就成为拓宽钛酸铝陶瓷应用领域的关键所在。
从现有的研究看，改善钛酸铝陶瓷性能的方法主要有以下三种：
最简单的方法优化烧结制度。控制烧结温度和保温时间，可以在一定程度上调节陶瓷的内部显微结构，包括晶粒和微裂纹的数量、尺寸等，由此可在一定程度上调节其性能。比如，在较低的温度烧成时，钛酸铝材料的内部不易产生微裂纹，热膨胀系数也较大；相反，在较高温度下钛酸铝陶瓷晶粒生长速度较快，导致微裂纹的数量和尺寸增加，热膨胀系数也会减小。不过，单纯使用这种方法，对改善钛酸铝陶瓷的机械强度效果比较有限。
比较有效的方法是引入适当的添加剂。常用的钛酸铝改性添加剂包括SiO2、ZrO2、MgO、CeO2等，掺杂方式包括单掺和共掺。从机理上看，这些添加剂可能有以下几种作用：一是与钛酸铝形成固溶体，通过稳定钛酸铝陶瓷的晶格结构，以便提高其热稳定性，并改善其力学性能和抗热震性；二是在烧结过程中形成液相，促进钛酸铝陶瓷的致密化，抑制钛酸铝晶粒的异常生长，以达到减少陶瓷冷却过程中龟裂；三是在晶界上形成第二相化合物，抑制裂纹的扩展。总之，适当的添加剂可以降低钛酸铝陶瓷的热分解率，提高抗热震稳定性和机械强度，使其综合性能更优。
不过，更有效的方法是制备复合陶瓷。目前常见的用以和钛酸铝复合的第二相材料包括在氧化铝、莫来石、氧化锆等。
以莫来石为例：当莫来石在与钛酸铝复合时，一方面莫来石中的Si4+在高温下会向钛酸铝晶粒中扩散，固溶在其晶格中，使其热稳定性提高；同时，由于莫来石与钛酸铝热膨胀系数的差异，可形成高温下莫来石晶粒对钛酸铝晶粒的压应力，有效抑制其晶格的受热畸变，从而进一步提高其热稳定性。另一方面，由于莫来石具有棒状或长柱状结晶形貌和较高的机械强度，在材料内部裂纹扩展时能产生“钉扎”效应，阻碍裂纹扩展，从而提高复相材料的机械强度。比有：有人采用溶胶-凝胶法、在1500℃烧结制备钛酸铝-莫来石复相陶瓷，其弯曲强度达55MPa，而热膨胀系数仅为0.07×10-6/℃。
参考文献：林锋晟等，武汉理工大学 报，2021,43(8):1
