1、復合材料的制備陶瓷基復合材料的制備方法 現代陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及重量輕等許多優(yōu)良的性能。 但是，陶瓷材料同時也具有致命的缺點，即脆性，這一弱點正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。 因此，陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題?，F在這方面的研究已取得了初步進展，探索出了若干種韌化陶瓷的途徑。其中，往陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復合材料即是一種重要方法。 陶瓷基基復合材料的基體與增強體(1) 基體陶瓷基復合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機化合物而不是單質，所以它的結構遠比金屬合金復雜得多?，F代陶瓷材料的研究，最

2、早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴大到了其他的無機非金屬材料。 目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點。 陶瓷基復合材料中的增強體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。(2) 增強體a. 纖維: 在陶瓷基復合材料中使用得較為普遍的是碳纖維、玻璃纖維、硼纖維等；玻璃球玻璃球再熔化連續(xù)纖維上漿紗線繞線筒玻璃纖維生產流程圖將玻璃小球熔化，然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來。另外，纏繞纖維的心軸的轉動速度決定纖維的直徑，通常為10m的數量級。b. 晶須： 晶須為具有一定長徑比(直

3、徑0.31m,長0100 m) 的小單晶體。晶須的特點是沒有微裂紋、位錯、孔洞和表面損傷等一類缺陷，因此其強度接近理論強度。 由于晶須具有最佳的熱性能、低密度和高楊氏模量，從而引起了人們對其特別的關注。 在陶瓷基復合材料中使用得較為普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶須。顆粒 從幾何尺寸上看，顆粒在各個方向上的長度是大致相同的，一般為幾個微米。 顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須。但是，如果顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇適當仍會有一定的韌化效果，同時還會帶來高溫強度，高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌復合材料同樣受到重視并對其進行了一定的研究。 常用的顆粒也是SiC、Si3N4等。1. 纖

4、維增強陶瓷基復合材料 在陶瓷材料中，加入第二相纖維制成復合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段，按纖維排布方式的不同，又可將其分為單向排布長纖維復合材料和多向排布纖維復合材料。 陶瓷基基復合材料的種類 單向排布纖維增韌陶瓷基復合材料的顯著特點是它具有各向異性，即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大優(yōu)于其橫向性能。 在實際構件中，主要是使用其縱向性能。在單向排布纖維增韌陶瓷基復合材料中，當裂紋擴展遇到纖維時會受阻，這時，如果要使裂紋進一步擴展就必須提高外加應力。這一過程的示意圖如下： 單向排布纖維陶瓷基復合材料裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖 單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越，而其

5、橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應力的場合。而許多陶瓷構件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復合材料。 多向排布纖維陶瓷基復合材料二維多向排布纖維增韌復合材料的纖維的排布方式有兩種：一種是將纖維編織成纖維布，浸漬漿料后，根據需要的厚度將單層或若干層進行熱壓燒結成型，如下圖所示。纖維層基體纖維布層壓復合材料示意圖 這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越，而在垂直于纖維排布面方向上的性能較差。 一般應用在對二維方向上有較高性能要求的構件上。纖維層基體多層纖維按不同角度方向層壓示意圖另一種是纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度，如下圖所示。

6、 三維多向編織纖維增韌陶瓷是為了滿足某些情況的性能要求而設計的。這種材料最初是從宇航用三向C/C復合材料開始的，現已發(fā)展到三向石英/石英等陶瓷復合材料。下圖為三向正交C/C纖維編織結構示意圖。它是按直角坐標將多束纖維分層交替編織而成。XYZ三向C/C編織結構示意圖 由于每束纖維呈直線伸展，不存在相互交纏和繞曲，因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結構強度。這種三維多向編織結構還可以通過調節(jié)纖維束的根數和股數，相鄰束間的間距，織物的體積密度以及纖維的總體積分數等參數進行設計以滿足性能要求。2. 晶須和顆粒增強陶瓷基復合材料 長纖維增韌陶瓷基復合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復雜，而且纖維在基體中不易分

7、布均勻。 因此，近年來又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復合材料。 由于晶須的尺寸很小，從宏觀上看與粉末一樣，因此在制備復合材料時，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后對混好的粉末進行熱壓燒結，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復合材料。 目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶須，常用的基體則為Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫來石等。 晶須增韌陶瓷基復合材料的性能與基體和晶須的選擇、晶須的含量及分布等因素有關。由于晶須具有較大的長徑比，因此，當其含量較高時，因其橋架效應而使致密化變得因難，從而引起了密度的下降并導致性能的下降。 為了克服這一弱點，可采用顆粒來代替晶須制成復合

8、材料，這種復合材料在原料的混合均勻化及燒結致密化方面均比晶須增強陶瓷基復合材料要容易。 當所用的顆粒為SiC，TiC時，基體材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。目前，這些復合材料已廣泛用來制造刀具。 晶須與顆粒對陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊： 晶須的增強增韌效果好，但含量高時會使致密度下降； 顆?？煽朔ы毜囊蝗觞c，但其增強增韌效果卻不如晶須。纖維增強陶瓷基復合材料的制備 從基體方面看，與氣孔的尺寸及數量，裂紋的大小以及一些其它缺陷有關；從纖維方面來看，則與纖維中的雜質、纖維的氧化程度、損傷及其他固有缺陷有關；從基體與纖維的結合情況上看，則與界面及結合效果、纖維在基體中的取向，以

9、及載體與纖維的熱膨脹系數差有關。纖維增強陶瓷基復合材料的性能取決于多種因素，如基體、纖維及二者之間的結合等。正因為有如此多的影響因素，所以在實際中針對不同的材料的制作方法也會不同，成型技術的不斷研究與改進，正是為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料。1泥漿燒鑄法這種方法是在陶瓷泥漿中分散纖維。然后澆鑄在石膏模型中。這種方法比較古老，不受制品形狀的限制。但對提高產品性能的效果顯著，成本低，工藝簡單，適合于短纖維增強陶瓷基復合材料的制作。目前采用的纖維增強陶瓷基復合材料的成型主法主要有以下幾種：2熱壓燒結法將特長纖維切短(3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結的方法即可制得高性能的復合材料。這種方

10、法中，纖維與基體之間的結合較好，是目前采用較多的方法。 這種短纖維增強體在與基體粉末混合時取向是無序的，但在冷壓成型及熱壓燒結的過程中，短纖維由于在基體壓實與致密化過程中沿壓力方向轉動，所以導致了在最終制得的復合材料中，短纖維沿加壓面而擇優(yōu)取向，這也就產生了材料性能上一定程度的各向異性。3. 浸漬法 這種方法適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進行焙燒。 浸漬法的優(yōu)點是纖維取向可自由調節(jié)，如單向排布及多向排布等。 浸漬法的缺點則是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度較低。晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，用它們進行增韌的陶瓷基復合材料的制造工藝

11、是基本相同的。 晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的加工與制備這種復合材料的制備工藝比長纖維復合材料簡便得多，只需將晶須或顆粒分散后并與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結的方法即可制得高性能的復合材料。與陶瓷材料相似，晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的制造工藝也可大致分為以下幾個步驟：這一過程看似簡單，實則包含著相當復雜的內容。即使坯體由超細粉(微米級)原料組成，其產品質量也不易控制，所以隨著現代科技對材料提出的要求的不斷提高，這方面的研究還必持進一步深入。配料成型燒結精加工 1配料高性能的陶瓷基復合材料應具有均質、孔隙少的微觀組織。為了得到這樣品質的材料，必須首先嚴格挑選原料。把幾種原料粉末混合配成坯料的

12、方法可分為干法和濕法兩種?，F今新型陶瓷領域混合處理加工的微米級、超微米級粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用濕法。 濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化尼等非氧化物系的原料混合時，為防止原料的氧化則使用有機溶劑。原料混合時的裝置一般為專用球磨機。為了防止球磨機運行過程中因球和內襯磚磨損下來而作為雜質混入原料中，最好采用與加工原料材質相同的陶瓷球和內襯。2成型混好后的料漿在成型時有三種不同的情況：(1) 經一次干燥制成粉末坯料后供給成型工序；(2) 把結合劑添加于料漿中、不干燥坯料，保持漿狀供給成型工序；(3) 用壓濾機將料漿狀的粉脫水后成坯料供給成型工序。把上述的干燥粉料充入模型內，加壓后

13、即可成型。通常有金屬模成型法和橡皮模成型法。金屬模成型法具有裝置簡單，成型成本低廉的優(yōu)點，仍它的加壓方向是單向的。粉末與金屬模壁的摩擦力大，粉末間傳遞壓力不太均勻。故易造成燒成后的生坯變形或開裂、只能適用于形狀比較簡單的制件。 采用橡皮模成型法是用靜水壓從各個方向均勻加壓于橡皮模來成型，故不會發(fā)生生坯密度不均勻和具有方向性之類的問題。 由于在成型過程中毛坯與橡皮模接觸而壓成生坯，故難以制成精密形狀，通常還要用剛玉對細節(jié)部分進行修整。 另一種成型法為注射成型法。從成型過程上看，與塑料的注射成型過程相類似，但是在陶瓷中必須從生坯里將粘合劑除去并再燒結，這些工藝均較為復雜，因此也使這種方法具有很大的

14、局限性。注漿成型法是具有十分悠久歷史的陶瓷成型方法。它是將料漿澆入石膏模內，靜置片刻，料漿中的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料漿，將生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的強度，并從石膏中取出。這種方法可成型壁薄且形狀復雜的制品。還有一種成型法為擠壓成型法。這種方法是把料漿放入壓濾機內擠出水分，形成塊狀后，從安裝各種擠形口的真空擠出成型機擠出成型的方法，它適用于斷面形狀簡單的長條形坯件的成型。 3. 燒結 從生坯中除去粘合劑組分后的陶瓷素坯燒固成致密制品的過程叫燒結。為了燒結，必需有專門的窯爐。窯爐的種類繁多，按其功能進行劃分可分為間歇式和連續(xù)式。間歇式窯爐是放入窯爐內生坯的硬化、燒結、冷

15、卻及制品的取出等工序是間歇地進行的。間歇式窯爐不適合于大規(guī)模生產，但適合處理特殊大型制品或長尺寸制品的優(yōu)點，且燒結條件靈活，筑爐價格也比較便宜。連續(xù)窯爐適合于大批量制品的燒結，由預熱、燒結和冷卻三個部分組成。把裝生坯的窯車從窯的一端以一定時間間歇推進，窯車沿導軌前進，沿著窯內設定的溫度分布經預熱、燒結、冷卻過程后，從窯的另一端取出成品。 4精加工由于高精度制品的需求不斷增多，因此在燒結后的許多制品還需進行精加工。精加工的目的是為了提高燒成品的尺寸精度和表面平滑性，前者主要用金剛石砂輪進行磨削加工，后者則用磨料進行研磨加工。 以上是陶瓷基復合材料制備工藝的幾個主要步驟，但實際情況則是相當復雜的。陶瓷與金屬的一個重要區(qū)別也在于它對制造工藝中的微小變化特別敏感而這些微小的變化在最終燒成產品前是很難察覺的。陶瓷制品一旦燒結結束，發(fā)現產品的質量有問題時則為時已晚。而且，由于工藝路線很長，要查找原因十分困難。這就使得實際經驗的積累變得越發(fā)重要。 陶瓷的制備質量與其制備工藝有很大的關系。在實驗室規(guī)模下能夠穩(wěn)定重復制造的材料，在擴大的生產規(guī)模下常