陶瓷基復(fù)合材料綜述

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1、淺論陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景董超2009107219金屬材料工程摘要本文主要對陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景進(jìn)行了研究，并對當(dāng)今陶瓷復(fù)合材料發(fā)展面臨的問題進(jìn)行了概括，希望對陶瓷復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展起到一定的作用。本文首先對Al2O3陶瓷復(fù)合材料和玻璃陶瓷復(fù)合材料的研究進(jìn)展及發(fā)展前景進(jìn)行了詳細(xì)的研究。然后對整個陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展趨勢及存在的問題進(jìn)行了分析，得出了在新的時期陶瓷復(fù)合材料主要向功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料、納米復(fù)合材料、仿生復(fù)合材料方向發(fā)展；目前復(fù)合材料面臨的主要問題是基礎(chǔ)理論研究問題和新的設(shè)計(jì)和制備方法問題。關(guān)鍵

2、詞：Al2O3陶瓷復(fù)合材料玻璃陶瓷復(fù)合材料研究現(xiàn)狀應(yīng)用前景1.前言以粉體為原料，通過成型和燒結(jié)等所制得的無機(jī)非金屬材料制品統(tǒng)稱為陶瓷。陶瓷的種類繁多，根據(jù)陶瓷的化學(xué)組成、性能特點(diǎn)、用途等不同，可將陶瓷分為普通陶瓷和特殊陶瓷兩大類。而在許多重要的應(yīng)用及研究領(lǐng)域，特殊陶瓷是主要研究對象。陶瓷復(fù)合材料是特殊陶瓷的一種。在高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對結(jié)構(gòu)材料要求具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕和高韌性的特點(diǎn)。陶瓷具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐熱性和耐腐蝕性好等特點(diǎn)。但是它的最大缺點(diǎn)是脆性大。近年來，通過往陶瓷中加入或生成顆粒、晶須、纖維

3、等增強(qiáng)材料，使陶瓷的韌性大大地改善，而且強(qiáng)度及模量也有一定提高。因此引起各國科學(xué)家的重視。本文主要介紹了各種陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景，并對陶瓷復(fù)合材料近年來的發(fā)展進(jìn)行綜述。2.研究現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，新型陶瓷材料的開發(fā)與生產(chǎn)發(fā)展異常迅速，新理論、新工藝、新技術(shù)和新裝備不斷出現(xiàn)，形成了新興的先進(jìn)無機(jī)材料領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展對材料的要求日益苛刻，先進(jìn)復(fù)合材料已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，它的發(fā)展水平是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的一個重要指標(biāo)，因此世界各國都高度重視其研究和發(fā)展。復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性大，能滿足某些對材料

4、的特殊要求，特別是在航空航天技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。陶瓷復(fù)合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韌性，提高其可靠性，發(fā)揮陶瓷材料的優(yōu)勢，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。本文就幾類典型的陶瓷復(fù)合材料介紹其研究現(xiàn)狀。2.1Al2O3陶瓷復(fù)合材料的研究進(jìn)展及發(fā)展前景Al2O3陶瓷作為常見陶瓷材料，既具有普通陶瓷耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度等特點(diǎn)，又具備優(yōu)良的抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性、低密度等特性，且來源廣泛，價格便宜。因此，在航空航天、國防軍工、機(jī)械、電子、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但純Al2O3陶瓷材料的韌性很差，這又制約了其優(yōu)良性能的發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用

5、。金屬材料具有良好的韌性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性，但密度大，硬度低，耐蝕及耐磨性相對較差。因此改善Al2O3陶瓷材料脆性即增韌技術(shù)的研究，以及利用Al2O3陶瓷耐蝕、高硬、耐磨等特性，以其作為增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料的研究與制備，成為當(dāng)今開發(fā)Al2O3陶瓷材料的兩大主題。2.1.1Al2O3陶瓷增韌技術(shù)純Al2O3陶瓷材料的韌性很差，這制約了其優(yōu)良性能的發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。因此改善Al2O3陶瓷材料脆性即增韌技術(shù)的研究成為當(dāng)今開發(fā)Al2O3陶瓷材料的主題之一。Al2O3陶瓷材料的增韌技術(shù)主要有納米顆粒增韌、纖維或晶須增韌、自增韌、ZrO2相變增韌等，

6、下面分別介紹其研究狀況。納米顆粒增韌納米顆粒增韌是近年來Al2O3陶瓷最常見的增韌方式之一。與傳統(tǒng)的微米級顆粒相比，納米顆粒具有比表面積大、表面能高等優(yōu)點(diǎn)，有助于降低燒結(jié)溫度及加速致密化過程。延性金屬單質(zhì)或金屬間化合物顆粒作為增韌相，不僅可細(xì)化Al2O3晶粒，改善燒結(jié)性能，還能以多種方式阻礙裂紋的擴(kuò)展，如金屬粒子的拔出、塑性變形以及裂紋橋接、偏轉(zhuǎn)、釘扎等、使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都得以提高。納米硬質(zhì)化合物顆粒作為增韌相可存在于Al2O3晶間和晶內(nèi)，其增韌機(jī)理主要有細(xì)化基體晶粒（晶間型），殘余應(yīng)力及裂紋偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的穿晶斷裂（晶內(nèi)型）釘

7、扎裂紋及位錯、微裂紋增韌不同納米增韌顆粒由于增韌機(jī)制不同，所得材料力學(xué)性能差別較大，但金屬或硬質(zhì)化合物顆粒均不能達(dá)到使Al2O3陶瓷強(qiáng)度和韌性同時大幅提升的理想效果。纖維或晶須增韌纖維（晶須）的增韌機(jī)制主要是纖維（晶須）的拔出與橋接作用，以及阻礙裂紋擴(kuò)展并使其轉(zhuǎn)向等。纖維（晶須）增韌效果取決于其與Al2O3陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度、排列方式、纖維的含量、纖維的長徑比等。如果纖維（晶須）線膨脹系數(shù)稍大于Al2O3基體，燒結(jié)冷卻后基體內(nèi)的殘余壓應(yīng)力阻止裂紋的擴(kuò)展，提高增韌效果。盡管纖維（晶須）的增韌效果明顯，且現(xiàn)在已制備了內(nèi)徑可控的纖維狀A(yù)l2O3基復(fù)

8、合材料，但目前困擾纖維（晶須）增韌Al2O3陶瓷的最大困難在于其生產(chǎn)成本及分散工藝。長纖維制備工藝成本高，具有環(huán)境污染性，且在基體中難以均勻分布。短晶須制備相對簡單，易分布均勻，但排列方向不易