莫来石作为其主晶相之一的SiO₂-Al₂O₃-ZrO₂（SAZ）系复相陶瓷具有很好的化学稳定性和高温强度，较高的抗蠕变性，较低的热膨胀系数和导热系数，是一种极具前景的高温结构材料。但是莫来石较低的本征韧性影响该材料广泛应用。ZrO₂颗粒的引入，有可能在保持其高温特性的同时，使其室温性能获得明显改善，从而进一步扩大其应用领域。本论文针对目前通过超微细粉致密化制备SAZ系陶瓷材料存在的诸如烧结温度高（一般高于1500℃），致密化难，增韧相种类有限且成本高等一些问题，寻求了一种新的制备方法-非晶原位受控晶化法，在较低温度1100～1200℃下制得均匀、致密、高可靠性的结构陶瓷材料-SAZ系纳米复相陶瓷。该方法能有效避免高温烧结以及烧结过程中纳米粉末的团聚和晶粒异常长大，实现显微结构的有效控制。通过借助DSC、XRD、SEM、TEM、EDS和IR等现代分析测试技术，较系统地研究了SAZ系非晶形成和析晶特点，显微结构特征，物相组成变化等。优化了组分配方和制备工艺，探索了析晶机理和晶体生长的规律，研究了成分-结构-工艺之间的内在规律性；通过表征材料的力学性能，研究了组成-结构-性能的关系，探讨了添加剂及其含量对非晶晶化法制备SAZ系纳米复相陶瓷结构和性能的影响。获得如下主要结论：1、在SiO₂-Al₂O₃-ZrO₂系中，按照低共熔点附近的配方熔制非晶，虽然温度低，但非晶析晶倾向大，难以实现均匀大块非晶的制备；而富硅的莫来石区配方，于1650～1700℃下熔制，经快速冷却能获得完全透明的大块非晶。TiO₂的加入能有效降低非晶熔制温度和高温熔体的粘度，有利于SAZ非晶制备。Al₂O₃，ZrO₂含量对非晶制备有重大影响，它们的较佳取值范围分别为35～40 wt％和10～20 wt％。熔制温度越高，保温时间越长，得到的熔体越均匀；适当提高熔化温度，可相对缩短保温时间。冷却速度控制也是制得均匀非晶的关键技术。经过对组分的优化，添加剂的筛选，在低于1700℃下熔成均匀的SAZ系熔胶，经超快速强制冷却凝固得到完整的SAZ系大块透明非晶。2、SAZ系非晶在析晶过程中主要存在两个反应：首先在930～1050^C温度区间内析出t-ZrO₂；然后在1100～1200℃温度区间内继续析出莫来石和方石英。在热处理过程中，非晶经历了分相、成核和析晶的演化过程。经900℃左右热处理后出现分相，形成了富Si区和富Zr区；920～950℃开始从非晶中析出t-ZrO₂；随着热处理温度升高，接着生成过渡尖晶石相；随后过渡尖晶石相与非晶SiO₂反应生成莫来石相，过剩的非晶SiO₂转化为方石英。该过程可概括如下：3、通过SAZ系非晶的热分析并进行析晶动力学参数计算发现，该系非晶析晶活化能低，容易整体晶化。其中，典型配方TZ2非晶的t-ZrO₂析晶活化能在518～538 kJ·mol^-1之间，莫来石的析晶活化能在522～545 kJ·mol^-1之间；典型配方Z1非晶的t-ZrO₂析晶活化能在556～578 kJ·mol^-1之间，莫来石析出活化能在497～522 kJ·mol^*1之间。4、通过研究晶核剂种类、含量对SAZ系非晶析晶过程的影响发现，TiO₂、ZrO₂两种晶核剂对促进SAZ系非晶成核和降低其晶化温度都是有效的，但是所起的作用不同。TiO₂的加入主要是有利于t-ZrO₂的析出，对莫来石析出影响不大；ZrO₂的加入对t-ZrO₂和莫来石的析出均有利。当TiO₂／ZrO₂≥1／2时，随着TiO₂含量的增加，在相同的热处理工艺条件下，容易导致堇青石、钛酸锆等不利杂相的出现；当TiO₂／ZrO₂≤1／2时，随着ZrO₂含量的增加，在相同的热处理条件下，不容易导致堇青石、钛酸锆等不利杂相的出现：当只有单一晶核剂ZrO₂存在时，随着ZrO₂含量的增加，在相同的热处理条件下，容易导致堇青石等不利杂相的出现。采用复合晶核剂（TiO₂和ZrO₂）能有效改善SAZ系非晶的晶化行为。5、热处理工艺对Z系、T系和TZ系纳米复相陶瓷的性能和结构影响很大。核化温度、核化时间、晶化温度以及晶化时间等参数对材料性能的影响并不是单一不相关的，而是存在一个合理的搭配。本文采用DSC方法和性能指标测定确定了Z1和TZ1配方非晶最佳热处理工艺。其中Zl配方最佳的核化工艺是：核化温度T_N=950℃，核化时间t_n=2．0 h。在此核化工艺下，Z1配方样品经1150℃保温2．0 h后获得最佳力学性能：抗弯强度和断裂韧性分别为520MPa，5．13 MPa·m^1/2。TZ1配方样品的最佳热处理工艺为：核化温度920℃，核化时间2．0 h，晶化温度1150℃，晶化时间4．0 h，其最佳断裂韧性为7．48 MPa·m^1/2。经过对热处理工艺的优化，材料的力学性能明显提高，尤其是材料的室温断裂韧性。材料性能提高归功于材料结构改善。其中，核化温度和晶化温度对材料显微结构中晶粒大小、形状的影响较核化时间和晶化时间更为显著。核化温度过低或过高，均降低成核效果，导致晶粒粗化。SAZ系非晶在920～950℃预处理（核化），再在1100～1150℃热处理（晶化），颗粒呈球形状，大小均匀，分布致密，尺寸大约在20～50 nm，是一种较理想的纳米显微结构；晶化温度升高（≥1300℃），晶粒迅速长大，由原来的球似状变成条块状（大部分）晶体，少数条块状晶体的长径达微米级是一种较理想的微米显微结构。另外，晶化温度直接影响材料的物相组成和体积密度。温度越高，t-ZrO₂含量减少，m=ZrO₂含量增多，体积密度下降。两步热处理工艺的制定及优化，是控制材料显微结构的关键，也是本论文的关键技术之一。6、TiO₂、ZrO₂含量对Z系、T系和TZ系复相陶瓷性能的影响也很大，随着ZiO₂含量的增加，T系材料的显微硬度先增加后减小，而断裂韧性呈现下降趋势。随着ZrO₂含量的增加，TZ系材料的显微硬度出现两种变化：当晶化温度低于1200℃时，其随着ZrO₂含量的增加略有增大，当晶化温度高于1200℃时，反而略有下降。但其断裂韧性随着ZrO₂含量的增加而增加。比较Z1和TZ1配方试样的最佳力学性能发现，复合晶核剂能进一步提高该系材料的断裂韧性。其中TiO₂最佳含量为5、wt％，材料的断裂韧性为7．48 MPa·m^1／2。7、Y₂O₃、La₂O₃掺杂对SAZ系非晶的形成、析晶以及材料相结构、显微结构及力学性能等的影响规律表现为，适量Y₂O₃和La₂O₃的加入降低了非晶的熔制温度，抑制了冷却过程中的失透现象，有利于非晶形成，而且不影响主晶相的析出。Y₂O₃主要固溶于ZrO₂中，稳定t-ZrO₂。试样的断裂韧性和抗弯强度随着Y₂O₃添加量增加，先近线性增大，随之趋向稳定，而后又迅速减小。当Y₂O₃添加量为1．0 wt％时，获得了较好的综合力学性能，断裂韧性和抗弯强度分别为4．5 MPa·m^1／2和460MPa。其强韧化机制主要为t-ZrO₂相变增韧。La₂O₃主要存在于玻璃相中，强化晶界。试样的断裂韧性和抗弯强度随着La₂O₃添加量增加，先增大后减小。当La₂O₃添加量为0．6 wt％时，断裂韧性最大4．74 MPa·m^1/2；当La₂O₃添加量为1．2 wt％时，抗弯强度最大514 MPa。其强韧化机制主要为大颗粒桥联和晶界强化。La，Y复合掺杂更有利于提高SAZ系纳米复相陶瓷的综合力学性能，尤其是材料的抗弯强度。