金屬陶瓷材料金屬材料和陶瓷材料是我們在航空航天、船舶、汽車、日用等行業(yè)十分常見的材料，已經(jīng)融入到我們的方方面面。金屬陶瓷作為金屬材料和陶瓷材料研發(fā)的一種新型復(fù)合材料，兼具金屬和陶瓷材料的某些優(yōu)點(diǎn)，受到科研工作者的廣泛關(guān)注，是材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。近年來，金屬陶瓷的研究成果越來越多，新品種不停出現(xiàn)，理論體系也日趨成熟。圖1金屬陶瓷航空鋁材質(zhì)手機(jī)外殼一、金屬陶瓷介紹金屬陶瓷，是一種由金屬或合金和一種或幾個(gè)陶瓷相所構(gòu)成的非均質(zhì)的復(fù)合材料，其中后者約占15%～85vol%，當(dāng)陶瓷含量高于50vol%時(shí)，亦可稱為陶瓷-金屬復(fù)合材料。金屬陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中的詞頭Cer/Cera與金屬(Metal)中的詞頭Met結(jié)合起來構(gòu)成。金屬陶瓷的抱負(fù)構(gòu)造是彌散且均勻分布的陶瓷顆粒表面被持續(xù)薄膜形態(tài)的金屬相包裹，其中陶瓷相承受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，通過持續(xù)的金屬相分散，金屬相因呈薄膜狀包裹再陶瓷顆粒表面而得到強(qiáng)化，故金屬陶瓷作為介于高溫合金和陶瓷材料之間的一種高溫材料，含有兼顧金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點(diǎn)、耐腐蝕和耐磨損等性能。圖2常見材料化學(xué)穩(wěn)定性與抗熱沖擊性匯總圖3陶瓷材料和金屬材料楊氏模量及斷裂強(qiáng)度對比二、金屬陶瓷的發(fā)展史第一代：二戰(zhàn)期間，德國以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷；第二代：60年代美國福特汽車公司發(fā)明的，它添加Mo到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其它碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；第三代：金屬陶瓷則將N元素引入合金的硬質(zhì)相，改單一相為復(fù)合相，形成Ti(C，N)固溶體；20世紀(jì)80年代，硼化物陶瓷由于含有很高的硬度、熔點(diǎn)和優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐腐蝕性，成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。圖4TiC金屬陶瓷組織構(gòu)造示意圖三、金屬陶瓷材料匹配的原則1、相間熱力學(xué)匹配：金屬相的加入大幅減少陶瓷的燒結(jié)溫度，改善期脆性。純TiC材料因其燒結(jié)溫度在℃高溫，晶粒生長較快，致密度和性能較低，加入Ni-Mo金屬作為粘接相，形成TiC-Ni-Mo陶瓷金屬，可在1300℃燒結(jié)，且致密度和機(jī)械性能都有提高，詳見圖5；圖5Ni-Mo金屬含量對TiC-Ni-Mo陶瓷金屬斷裂強(qiáng)度的影響2、相容性：涉及陶瓷與金屬材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等的相容性，如兩者熱膨脹系數(shù)相差過大，造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)減少材料的熱穩(wěn)定性；圖6Ag金屬納米線、氧化鋁陶瓷復(fù)合超材料薄膜3、相間熱穩(wěn)定性：金屬相與陶瓷相之間無激烈的化學(xué)反映。如發(fā)生反映形成化合物，則金屬相無法改善陶瓷的低機(jī)械性能。表1真空中陶瓷與金屬反映溫度下線/℃4、潤濕性：陶瓷與金屬之間的潤濕性是衡量金屬陶瓷組織構(gòu)造與性能優(yōu)劣的核心條件，潤濕性越好，金屬相形成的持續(xù)相可能性越大，陶瓷金屬的性能越好。四、陶瓷金屬的分類金屬陶瓷的制備工藝涉及粉末冶金、自蔓延高溫合成、真空微波燒結(jié)、原位反映、機(jī)械合金化等，其中采用較多的是粉末冶金法（圖4）。金屬陶瓷中陶瓷相普通是高熔點(diǎn)氧化物（Al2O3、ZrO3、BeO、MgO等）、氮化物（TiN、BN、Si3N4等）、碳化物（TiC、WC等）、硼化物（TiB2、ZrB2等），金屬相重要由Ti、Cr、Ni、Co、Fe等多個(gè)金屬單獨(dú)或則一起使用，也能夠是金屬材料，如青銅合金、高溫合金等。根據(jù)陶瓷相的種類，金屬陶瓷重要分為氧化物基、碳化物基、碳氮化物基、硼化物基、含石墨或金剛石碳化物基，其具體的分類詳見表2。

圖7納米金屬陶瓷復(fù)合材料微觀組織表2金屬陶瓷分類及應(yīng)用匯總圖8高強(qiáng)度金屬陶瓷材料及精密成型方案PS：由于“金屬陶瓷”和“硬質(zhì)合金”兩個(gè)學(xué)科術(shù)語沒有明確的分界，因此具體材料也很難劃分界限，本文采用I.E.Campbell的觀點(diǎn)，將“硬質(zhì)合金”歸于“金屬陶瓷”。五、金屬陶瓷的應(yīng)用1、航空航天領(lǐng)域在航空航天領(lǐng)域，耐高溫、抗磨損、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性等苛刻的環(huán)境與技術(shù)規(guī)定，金屬陶瓷有了廣闊的發(fā)揮空間。金屬陶瓷良好的耐磨性與高溫強(qiáng)度，可用于制造航空或航天發(fā)動(dòng)機(jī)的閥、靜止的環(huán)件等。硼化鉻晶體和鉻－鉬合金粘結(jié)的硼化鉻金屬陶瓷含有良好的斷裂強(qiáng)度和足夠高的抗熱震性，可用于制備燃?xì)鉁u輪葉片、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和內(nèi)燃機(jī)閥座等。而含有抗高溫沖刷和氧化特性的W-Cr-Al2O3金屬陶瓷可用于制作采用固體推動(dòng)劑的導(dǎo)彈噴管襯套。另外，美國NASA還考慮把金屬陶瓷作為液態(tài)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的自潤滑軸承材料。廣泛應(yīng)用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層普通由三層構(gòu)成，最內(nèi)層是與基體構(gòu)造相靠近的金屬，最外層是陶瓷，而陶瓷與金屬的中間過渡層普通采用金屬陶瓷制成（圖9）。英國羅·羅公司把一層厚度為0.1mm的含Mg的ZrO2基金屬陶瓷作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層的中間過渡層，獲得了比較好的應(yīng)用效果。圖9帶有熱障涂層的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片2、艦船領(lǐng)域普通的金屬合金材料涂覆在艦船表面容易因摩擦、電位腐蝕、海水腐蝕等狀況造成涂層脫落，從而失去涂層的作用，而金屬陶瓷涂層除含有金屬的韌性，同時(shí)含有陶瓷本身的化學(xué)惰性能夠有效阻隔海水、電位帶來的腐蝕。影響金屬陶瓷涂層的因素有諸多，其中最重要的是金屬陶瓷涂層材料的選用以及噴涂技術(shù)的選用，同時(shí)這些決定因素也是金屬陶瓷涂層能夠得到廣泛應(yīng)用的核心。圖10為Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層的板材在廈門海域(海水pH值8.1～8.2，年均水溫21℃，年均鹽度為27.00‰)開展30天的海水腐蝕實(shí)驗(yàn)成果。加噴金屬陶瓷復(fù)合材料涂層作為絕緣層涂層掛板表面未見銹蝕現(xiàn)象，試板上附著有部分海鞘，無大型海生物附著，而左側(cè)的直接在鋼基體因噴涂銅合金，海水滲入到鋼基體產(chǎn)生銹蝕，但涂層完好處無海生物附著。圖10海水掛板實(shí)驗(yàn)成果（左，銅合金涂層，右，金屬陶瓷復(fù)合材料涂層）3、制造加工領(lǐng)域高硬度、耐磨性好、高抗彎強(qiáng)度、抗韌性好、抗氧化等性能決定了金屬陶瓷材料在制造加工領(lǐng)域有著不可替代的作用，特別在量具和切削刀具方面（圖11和表3）。與硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷含有下列特點(diǎn)：（1）化學(xué)穩(wěn)定性及抗氧化性較好，特別是硬度和抗硬性均較好，可加工硬度不大于HRC45的鑄鐵、碳鋼等材料，同時(shí)適合做計(jì)量工具的規(guī)塊和軸承材料；（2）抗粘附性良好，可有效的去除刀刃上的積屑瘤和量具上的殘留油污及廢屑；（3）更高的熱硬性、耐磨性和韌性，可用于高速切削加工刀具和高溫等特殊環(huán)境下的軸承材料。圖11金屬陶瓷刀加工圖WC-Co是國內(nèi)外研究最早也是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的一類金屬陶瓷，重要用于加工制造領(lǐng)域。隨著研究的進(jìn)一步，開發(fā)了Ti(C,N)基金屬陶瓷。Ti(C,N)金屬陶瓷含有比較獨(dú)特的“芯、環(huán)”構(gòu)造，其組織特性由三部分構(gòu)成：TiC或Ti(C,N)硬質(zhì)相構(gòu)成的核心，即“芯”；邊沿為TiC或Ti(C,N)的復(fù)雜固溶體構(gòu)成的環(huán)狀構(gòu)造，也就是“環(huán)”；由鎳、鈷和溶入其中的鈦、鉬、碳和氮構(gòu)成的粘結(jié)相。Ti(C,N)基金屬陶瓷比WC基金屬陶瓷含有更高的硬度、更加好的抗腐蝕性以及更高的切削速度。圖12金屬陶瓷軸承與刀具表3我國重要刀具產(chǎn)品市場4、其它領(lǐng)域含有良好的耐高溫性能、抗腐蝕性的金屬陶瓷在其它領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，例如冶金工業(yè)用的耐高溫坩堝和高溫件、機(jī)械工業(yè)的耐高溫耐磨零部件、電子工業(yè)的熱離子陰極等。有關(guān)學(xué)者研究了一種在冶金領(lǐng)域應(yīng)用的金屬陶瓷質(zhì)滑動(dòng)水口磚，其采用剛玉和金屬鋁為重要原料，加入少量碳粉及抗氧化劑，制得的滑動(dòng)水口磚含有使用壽命長、抗鋼水侵蝕和抗沖刷性好等優(yōu)點(diǎn)。圖13鉬基金屬陶瓷管熱電偶（左）與散熱陶瓷基板（右）六、金屬陶瓷的發(fā)展趨勢展望金屬陶瓷材料在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和當(dāng)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，對工業(yè)快速發(fā)展著重要的推動(dòng)作用，有關(guān)研究已成為材料研究領(lǐng)域中一種非常重要的研究課題。陶瓷金屬的發(fā)展趨勢重要涉及：1、新金屬陶瓷材料的研發(fā)：一為新型硬質(zhì)相和復(fù)合硬質(zhì)相的開發(fā)；二為運(yùn)用常見金屬替代稀有金屬，如Fe替代Co；三為陶瓷和金屬的相成分及含量可突破以前的限制；2、納米級(jí)金屬陶瓷的研發(fā)：當(dāng)金屬粘接相不變時(shí)，陶