陶瓷基复合材料的研究进展.pdf

!陶瓷基复合材料的研究进展王群刘欣李家科黄耀元周生娣（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，景德镇#$%）摘要!综述了陶瓷基复合材料&()*+,+*-),./+0/1,-(，2324的研究现状5 对复合材料的补强增韧机理、界面、制备工艺作了较全面的介绍5 并对 232 的未来发展进行了展望。关键词!复合材料6 陶瓷基6 补强增韧6 发展趋势作者简介：王群&%788 9 4，男，本科，实验师:主要从事陶瓷性能与结构的研究:陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化5 高温下抗磨损好5 耐化学腐蚀性优良等优点5 这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料等所不具备的5因此越来越受到人们的重视。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点5 作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而5 改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。232 就是通过颗粒弥散增韧和纤维及晶须增韧等来改善陶瓷材料的力学性能5特别是脆性。因而开发 232 已成为改善陶瓷脆性的主要手段5受到各国的高度重视和广泛研究;%9#1?/)+*-,/-/AB(,A4；&!4 延性相增韧&-/AB(,A CD E-,F(0B*1(14；&#4 脆性纤 维 和 晶 须 增 韧&-/AB(,A CD C,-F(?,C)(1*EGB,1H()14；&=4 微裂纹增韧&-/AB(,A CD+,)/)*HI,A4;#。相变增韧的机理是在应力场的作用下5 由分散相的相变产生应力场5 抵消外加应力5 阻止裂纹扩展5 达到增韧目的。延性相增韧主要是指粒子强化和弥散强化5 通过第!相粒子的加入5 一方面对某些延性相粒子5 它可以在外力作用下产生一定塑性变形或者沿着晶面滑移产生蠕变来缓解应力集中；另一方面由于第二相粒子与基体粒子之间弹性模量和线胀系数的差异5 在烧结过程冷却阶段存在一定温差5 因而在坯体内部产生径向张应力和切向压应力5 这种应力与外应力发生相互作用5 使裂纹前进方向发生偏转、绕道5 从而提高材料的抗断能力5 达到增韧目的。纤维和晶须增韧的机理;=E,A N/(5 OP45 在此区域内5晶须把裂纹桥接起来并在裂纹表面产生闭合应力5 阻止裂纹扩展5 从而产生增韧补强作用。微裂纹增韧机制5 主要是由于残余应变场与裂纹在分散相周围发生反应5 从而使裂纹尖端产生微裂纹分支5 在一定程度上改善韧性5 但也造成强度下降。现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷!#年第!期$总第%&期综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评!#$#的界面%&(复合材料的界面是指基体与补强剂之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面虽然很小，但界面的结合方式在很大程度上应了材料的性能。陶瓷基复合材料的界面结合方式包括化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种界面结合方式同时存在。由于在陶瓷基复合材料中存在人为的界面，而界面又起着很重要的作用，故可按所需控制界面以达到理想的效果。现阶段界面的控制方法主要有以下几种：（)）改变补强剂表面的性质改变补强剂的表面性质是用化学手段控制界面的方法。如在*+#晶须表面形成富碳结构的方法；在纤维表面以化学气相沉积,#-./或物理气相沉积,0-./的方法进行 12 或碳涂层的方法等。这些方法的目的都是防止补强剂与基体之间的反应，从而获得最佳的界面力学特性。改变补强剂表面性质的另一个目的是改善纤维与基体之间的结合力。（!）补强剂的表面涂层涂层技术的应用是实用的界面控制方法之一，可以分为#-.，0-.，喷镀和喷射等。涂层的主要目的是防止成形过程中纤维与基体的反应，调节界面剪切破坏能量以提高剪切强度。（3）向基体添加特定的元素在用烧结法制造陶瓷基（如氧化铝基等）复合材料的过程中，为了有助于烧结，常常在基体中添加一些元素，如#45$65 等。有时为了使纤维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添加一些元素（如 7!53，8+5!等），以便在热处理过程中获得最佳界面，从而达到增韧的目的。3#$#制备目前看来，#$#的制造方法很多 但大致可分为以下&类%&9:(：,)/溶胶;凝胶和聚合物热解法,;6?A=BC?D ABD=B+!53复合材料%I(。!粉末烧结法这种制备方法可分为反应烧结法、烧结助剂烧结法、热压烧结法以及热等静压烧结法 其共同特点是使用陶瓷超细粉末 经浇注、模压、挤压或等静压成型后在高温下通过晶界液相传质最终烧结成型。其局限性在于补强纤维在烧结成型过程中损伤严重 补强增韧%()年第%期&总第#(*期综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷!效果差#复合材料综合性能低，不能制备形状复杂的复合材料制品。!#熔体浸渗法$%&这种方法在金属基复合材料方面得到了广泛应用，并且卓有成效，其工艺原理如图$所示。迄今在陶瓷基复合材料方法所做的工作仍不多#还未得到足够的重视。这种方法的主要优点%能一次形成致密且基本无缺陷的基体；预成型件与最终产品之间尺寸变化极小；可获得复杂形状的零件#并能在一定程度上保持纤维固架的形状和纤维的强度。该法的主要缺点%因陶瓷材料熔点一般很高#这样在浸渗过程中易使纤维的性能受损或在&(界面发生化学反应；陶瓷熔体的粘度比金属的大得多#这样就会大大降低浸渗速度#因此加压浸渗势在必行#并且压力愈大#纤维间距愈小#试样尺寸愈大#浸渗速度愈慢。浸渗过程中的关键在于&)(之间的润湿性，为了改善熔体与纤维之间的润湿性能#可采用对纤维表面进行涂层处理和真空)加压浸渗等工艺方法。!化学气相渗透法()*+法,利用反应气体渗透到纤维预制件内外并在高温下反应或热解成涂层基体的。其优点是%可以沉积多种材料的基体#如硅化物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物等。高温材料可以在低温下制造#无需加压#不会损害纤维，可制造形状复杂的部件，因此*+,是制造连续纤维增补强陶瓷基复合材料的一种先进技术。该工艺的不足之处是沉积速度慢#生产效率低。-*.*的应用#-发动机方面的应用$-.&工程机械内燃机由于长期工作在高温高压下#活塞与活塞环#缸壁间不断产生摩擦#润滑条件不充分#工作条件非常恶劣#尤其是在大功率的发动机中#普通的铸铁或铝合金活塞易燃易发生变形#疲劳热裂。用陶瓷基复合材料制造的活塞，高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并且具有较低的线胀系数，提高了活塞的工作稳定性和使用寿命，具有广阔的应用前景。#/航天领域的应用$-&*.*具有良好的耐热性和在高温下比强度高的特性#所以用来制造飞机发动机零部件将会提高发动机性能。另外它还具有比模量高、热稳定性好的特点#而且克服了其脆性弱点#抗热震冲击能力显著增强。用于航天防热结构#可实现耐烧蚀、隔热和结构支撑等多功能的材料一体化设计#大幅度减轻系统重量#增加运载效率和使用寿命#或者提高导弹武器的射程和作战效能/-0 12。#!刀具方面的应用$-/0-!&复合 34$5-陶瓷刀具有较高的耐磨性和抗冲击性#特别适合于各类铸铁件的粗精加工#也能进行铣削、刨削等冲击力很大的加工#其切削效率可提高$0 67倍。复合 84*5 金属陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性#特别适合于各类高硬高强钢9如淬硬钢等:的加工#可对高硬材料实现“以车代磨”干切削#免除退火工艺和冷却液#大幅度提高生产效率。新型复合陶瓷刀具已经在冶金、水泵、矿山机械、轴承、滚珠丝杠、汽车、军工等十几个行业得到应用。#医学领域的应用$-#0-1&近年来#临床广泛应用种植牙修复牙齿缺失#种植区骨量不足成为牙种植外科面临的常见问题。为解决这一问题#人们研究了多种骨修复方法#其中同种异体骨如脱矿骨等曾在口腔外科中广泛应用#取得了一定的修复效果#但有人认为存在潜在的传播疾病的危险。若将异体骨经高温锻烧陶瓷化处理#消除了传播疾病的潜在危险#其组成成分完全为人体正常骨组织无机成分#具有良好的组织相容性#对促进骨组织修复具有重要意义。另外，生物活性陶瓷复合人工骨也具有良好的临床应用前景。;*.*的发展趋势/;#62复合材料所面临的问题是%怎样把不同的材料有效地结合起来使某些性能得到加强#同时又把成本控制在市场可接受的范围。目前#只有少数*.*达到实际应用的水平#大多数尚处于实验室研究阶段#但从其具有的优异性能和研究状况来看#*.*有着非常广阔现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷/.1 年第/期(总第-.2 期,综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评!#$%&(%)*%#+,-%$.+&/0$1%+2-).3)#+1 0$1%+$4#!#$%&#(&)(#(*(+,-&#$./0&#12/&32,#$4(#$%&()*+,%-.,/0 12.%32%,34 536.3%-.367 8.364%9:%3;%-,%7 8.364%9:%3?AB56#1%$&17 C:%&-%0%3 0.,.)3，&-%&,-,.)3,34,&/.2,.)3)*:%2%-,.2,-.D 2)&)0.)30 E%-%-%F.%E%4.34%,./.3:.0&,&%-7,34:%.-4%F%/)&00%4(89:)%;#7 2)&)0.%,%-.,/G 2%-,.2 6:%3.36G 4%F%/)&6:3%00 2%-,)L 8(U.2,-4 L V(1H3:%0.0)*.K-%P-%W.3*)-2%4 0.2 2)&)0.%0 KH 2:%-.3*./-,.)3(L;%W-,/7 AOQ7 QJ#!BR?IS P?JA邹武7 张康助7 张立同7 等(陶瓷基复合材料在发动机上的应用(固体火箭技术，!，?!（!）：Q P QJAA张立同7 成来飞7 徐永东(新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展(航空制造技术(!?7#ABR!I P?!A!叶毅，叶伟昌(陶瓷刀具材料的种类与应用(硬质合金，!?7!#?B：A!P AQA?邓建新7 丁泽良7 赵军7 等(高温自润滑陶瓷刀具材料及其切削性能的研究(机械工程学报7!?7?O#BR AQ P AOAI余英7 朱明华7 曾怡7 等(生物活性陶瓷人工骨复合材料的理化性能测试(职业卫生与病伤7!?7 A#!BR POAJ梁戈7 胡蕴玉7 郑昌琼7 等(多孔!P C;T Y X+T 复合人工骨的研制和动物体内的相关研究(中华骨科杂志7 AOO7 A#!BR SJ P SOAQ龙厚清7 李佛保7 王迎军7 等(三种钙磷陶瓷材料复合重组人骨形成蛋白 P!体内成骨的研究(中国修复重建外科杂志7!?7 AS#?BR A P AIAS吴人洁(复合材料的未来发展(机械工程材料7 AOOI7 A#ABR AQ P!年第 期?总第=A 期B综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评综述与述评现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷现代技术陶瓷