1、陶瓷基復(fù)合材料論文 2015年5月5日摘要：陶瓷基復(fù)合材料主要以高性能陶瓷為基體通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級階段，我國對陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料 基體 增強(qiáng)體 強(qiáng)韌化機(jī)理 制備技術(shù)前言：陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)

2、致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。 陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。 正文一、陶瓷基復(fù)合材料基本概述陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計參數(shù)的構(gòu)件；其它常

3、用纖維是玻璃纖維和硼纖維。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段。目前常用的晶須是SiC和A12O3，常用的基體則為A12O3，ZrO2，SiO2，Si3N4以及莫來石等。 晶須具有長徑比，含量較高時，橋架效應(yīng)使致密化困難，引起了密度的下降導(dǎo)致性能下降。顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。常用的顆粒也是SiC、 Si3N4和A12O3等。陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展遲滯，發(fā)展過程中也遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級階段，我國對陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。二、陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能 (1) 陶瓷能夠很好地滲透

4、進(jìn)纖維點(diǎn)須和顆粒增強(qiáng)材料；(2)同增強(qiáng)材料之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力；(3)在制造和使用過程中同增強(qiáng)纖維間沒有化學(xué)反應(yīng)； (4) 對纖維的物理性能沒有損傷； (5) 很好的抗蠕變、抗沖擊、抗疲勞性能； (6) 高韌性；(7)化學(xué)穩(wěn)定性，具有耐腐蝕、耐氧化、耐潮濕等化學(xué)性能1陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)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(jī)化合物?，F(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無機(jī)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(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。2.瓷基體的種類 陶瓷基體材料主要以結(jié)晶

5、和非結(jié)晶兩種形態(tài)的化合物存在，按照組成化合物的元素不同，又可以分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，還有一些會以混合氧化物的形態(tài)存在。 1） 氧化物陶瓷基體 （1）氧化鋁陶瓷基體 以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁陶瓷，95氧化鋁陶瓷，85氧化鋁陶瓷等。 (2)氧化鋯陶瓷基體 以氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6-5.9g/cm3，熔點(diǎn)2175。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，高溫時具有抗酸性和抗堿性。 2） 氮化物陶瓷基體 (1) 氮化硅陶瓷基體 以氮化硅

6、為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)。此外氮化硅還具有熱膨脹系數(shù)低，優(yōu)異的抗冷熱聚變能力，能耐除氫氟酸外的各種無機(jī)酸和堿溶液，還可耐熔融的鉛、錫、鎳、黃鋼、鋁等有色金屬及合金的侵蝕且不粘留這些金屬液。 (2) 氮化硼陶瓷基體 以氮化硼為主要成分的陶瓷稱為氯化硼陶瓷。氮化硼是共價鍵化合物 3）碳化物陶瓷基體 以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。碳化硅是一種非常硬和抗磨蝕的材料，以熱壓法制造的碳化硅用來作為切割鉆石的刀具。碳化硅還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗氧化性能 (1) 碳化硼陶瓷基體 以碳化硼為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷。碳化硼是一種低密度、高熔點(diǎn)、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以

7、通過無壓燒結(jié)、熱壓等制備技術(shù)形成致密的材料。3陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體 陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。1) 纖維 纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長纖維和短纖維。連續(xù)長纖維的連續(xù)長度均超過數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。2) 顆粒 顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹脂粉末。3) 晶須 晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶，一般呈棒狀，其直徑

8、為0.21微米，長度為幾十微米，由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。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(qiáng)增韌效果好，但含量高時會使致密度下降；顆?？煽朔ы毜倪@一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。由此很容易想到，若將晶須與顆粒共同使用，則可取長補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使用SiCw與ZrO2來共同增韌，用SiCw與SiCp來共同增韌等。4.陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體分布1.纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料1）單向排布長纖維復(fù)合材料 當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時，由于基體與纖維間的界面離解，同時又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而使纖維從基體中拔

9、出。當(dāng)拔出的長度達(dá)到某一臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。因此，裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌的作用。2）多向排布纖維增韌復(fù)合材料 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，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場合。而許多陶瓷構(gòu)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(jìn)一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。2.晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復(fù)雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料

10、。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，因此在制備復(fù)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(jìn)行熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。晶須增韌陶瓷基復(fù)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(guān)。5.陶瓷基復(fù)合材料的界面和強(qiáng)韌化機(jī)理1）界面的粘結(jié)形式（1）機(jī)械結(jié)合 （2）化學(xué)結(jié)合 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。 2）界面的作用 陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足

11、以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。3）界面性能的改善 在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。6.陶瓷的斷裂韌性及裂紋類型 陶瓷有很高的強(qiáng)度，但是它同樣有較低的斷裂韌性。陶瓷斷裂韌性低的主要原因是在它內(nèi)部存在著各種裂紋； 陶瓷的裂紋類型有： （1）加工過程中產(chǎn)生的裂紋；（2）產(chǎn)品設(shè)計導(dǎo)致產(chǎn)生的裂紋；（3）使用過程中產(chǎn)生的裂紋；三、瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù) 陶瓷基復(fù)合材料的制造通常分為兩個步驟：第一步是將增強(qiáng)材料滲入未固結(jié)(成粉木狀)的基

12、體材料排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用各種加工條件在盡 量不破壞增強(qiáng)材料和基體行能的前提下制成復(fù)合材料制品。 1.粉末冶金法 制備工藝過程：原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形（熱壓）燒結(jié)。關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。2.漿體法（濕態(tài)法） 為克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，采用漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。其混合體為漿體形式，混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過調(diào)整水溶液的PH值來實(shí)現(xiàn)。對漿體進(jìn)行超聲波震動攪拌可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷

13、基復(fù)合材料。采用漿體浸漬法可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。纖維分布均勻，氣孔率低。3.反應(yīng)燒結(jié)法 用反應(yīng)燒結(jié)法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度,因此可避免纖維的損傷。反應(yīng)燒結(jié)法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。 4.液態(tài)浸漬法 用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對增強(qiáng)材料的浸潤性是首要考慮的問題，直接影響材料的性能。陶瓷熔體可通過毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙 。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。5.直接氧化法 按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體,將隔板放在

14、其表面上以阻止基體材料的生長。熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用，熔化金屬會連續(xù)不斷地供給到生長前沿。6.溶膠凝膠(Sol-Gel)法 溶膠(Sol)是由化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒(100nm)的懸浮液；凝膠(Gel)是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。Sol-Gel法是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu), 使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級水平。使用這種方法，可將各種增強(qiáng)劑加入，基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝膠后，這些增強(qiáng)組元穩(wěn)定

15、、均勻分布在基體中，經(jīng)過干燥或一定溫度熱處理，然后壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。 四、陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料能在更高的溫度下保持優(yōu)良的綜合性能。陶瓷基復(fù)合材料可較好地滿足這一要求。它的最高使用溫度主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作溫度可達(dá)1900 。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動機(jī)制件、能源構(gòu)件等。五、今后面對的問題及前景展望現(xiàn)在看來，人們已開始對陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問題。因此，從這