氧化铝陶瓷基复合材料概述

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1、概述了氧化铝陶瓷基复合材料， 并且对其一般的生产工艺金属间、 氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍，前言氧化铝(AI2O3)陶瓷材料具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性 能，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。但是与其他陶瓷材料 一样，该陶瓷具有 脆性这一固有的致命弱点，使得目前AI2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。近年来，在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的AI/AI2O3陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域。概述 金属间化合物的结构与组成它的两组元不同 ， 具有序的超点阵结构， 各组元原子占据点 阵的固定位置， 最大程度地形成异类

2、原子之间结合。 由于其原子的长程有序排列以及金属键 和共价健的共存性， 有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。在力学性能上， 有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。 有序金属间化合物中， Ti - Al、 Ni - AI、 Fe - AI和Nb-AI系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度 ， 密度较小， 比强度较高。由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成 AI2O3钝化膜，使AI粉和AI2O3颗粒之间 表现出很差的润湿性，导致烧结法制备AI/AI2O3陶瓷材料烧结困难，影响复合材料的机械性能 5。挤压铸造和气压浸

3、渍工艺浸渍速度快 ， 但是预制体中的细小空隙很难进一步填充6， 而后发展的无压渗透工艺操作复杂 ， 助渗剂的选择随意， 且作用机理复杂， 反而增加了工艺 控制难度7。20世纪80年代初，美国Lanxide公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺定向 金属氧化技术(DirectedMetal Ox-idation,简称DMOX)。该工艺是在高温下利用一定 阻生剂限制金属熔 体在其他5 个方向的生长， 使金属熔体与氧化剂反应并只单向生长即定向氧化。采用该方法制备的Al/ AI2O3陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的-AI2O3基体与三维网状连通的残余金属和不连续的金属组成，由于AI2O3晶间纯

4、净，骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的同类材料的强度9 同时， 三维连通的金属铝具有良好的塑性 ， 从而使该复合材料具有更为良好的综合机械性能。表1几种铝化物的特性名称熔点密度(x lOjkgvm3)晶体结构杨氏模屋(M N-nrkg-1395T 5LL45NiAl16385. 9B235TAAl16004 2DO 1950TiAl14601 924F殆Al1540$ 7D() 327FeAl1250, 1400B247新型陶瓷基复合材料采用熔渗烧结工艺与粉末治金烧结工艺两种方案4。烧结与熔铸相结合制备工艺：氧化铝选用粒度为1 2Lm粉体,金属间铝化合物使用铸态切 块。烧结分两个阶段， 第一阶

5、段保温主要是为了促使氧化铝烧结成泡沫状多孔材料化物处于临界熔化状态；第二阶段保温主要是保证铝化物快速熔化， 此时铝， 并有好的流动性， 以便熔入多孔氧化铝内。使用石墨压块 ，利用其重力促进熔渗过程。烧结选用多种不同温度的工艺，以便比较不同温度的熔渗效果。粉末治金工艺： 采用机械合金化工艺，首先合成铝化物粉体，在球磨机中将铝化物粉末与氧 化铝混 合，然后热压烧结。采用机械合金化工艺可以合成铝化物，但是固相合成反应不充分，结合煅烧工艺，则可制备出性能稳定的铝化物。煅烧温度不宜太高，太高不仅会造成粉末氧化 和晶粒 粗大，而且会导致粉末的严重团聚。燃烧M或combustion synthesis简称(

6、23)又称为自S S3燃烧n成 足-料 利用 化学反应的自身放荊便反应持峡进行的令成方法.该方法的历史可以追潮到 前苏联科 学家对火箭固体推进剂灌烧问題的探讨早在1967年，Mcrzhmov和Rortjvinskaya在 研究1VB混合粉坯时就发现自电延燃烧现象井好出自蔓延 合成 self propagaJus high lemperamre synitieRisA RffisSHS)的欄含l(W|SHS毘大的特点是合腔圧应的自发热 和自维持在仔成过程中不需耍外期能诙供酪fm,US1S剰flWHS工艺可以鸟成陶瓷材 料、金届基与幽瓷慕鱼仑材料、金M化介物“栩度村料、商温肝导等奇技朮结构材 料与

7、功能材料呵，此顶新的令成 技术一出现欤受到各国的重視井列入各国高技术材 料发晨的规划中金属间化合物/ AI2O3陶瓷基复合材料的研究进展111 Ni Al系金属间化合物/ AI2O3陶瓷基复合材料Ni Al系金属间化合物主要有5种稳定的二元化合物，即Ni3AI、NiAl、Ni5AI3、Ni2AI3和NiAI3 : 1。目前，N-i Al系金属间化合物中研究最多的是 Ni3AI。Ni3AI晶体特有的对称性和 Ni- AI键与Ni- Ni键的相似性使得键在空间呈均匀分布，这种特点使Ni3AI表现为具有良好的强度，也正是因为Ni-Ni键与Ni- AI键的相似性，在外力作用下原子层发生滑移而保持良好的

8、强度 和成键持续性，使Ni3AI具有良好的韧性2。因此，Ni3AI在陶瓷中可以起到很好的增韧效果。在 Ni3AI增韧AI2O3陶瓷基复合材料的研究中，通过热压烧结得到了高韧性的Ni3AI/ AI2O3陶瓷基复合 材料。分析认为，Ni3AI中Ni- Ni键与Ni- AI键的相似性和均匀性以及Ni3AI的合金化、晶粒的拔出 现象和裂纹的偏转效应是N-i AI/ AI2O3陶瓷基复合材料韧性提高的重要原因。以NiAI为弥散相在1600e下真空烧结制备的NiAl/ AI2O3复相陶瓷材料，当NiAI含量约为20%时，其断裂韧度为812MPa#m1/ 2，比纯AI2O3陶瓷(Kic= 4.84MPa#m

9、1/2) 的断裂韧度提高了 68%。显微结构分析表明， 晶粒细化、裂纹偏转、裂纹搭桥、拔出和裂 纹扩展方式的改变是NiAI/AI2O3复相陶瓷材料韧提高的主要因素。在应用方面，由于NiAI 与 AI2O3 有较好的适配性能，因此是金属基体与 AI2O3 涂层的理想材料。而利用等离子喷 涂方法制 备了 NiA-IAI2O3梯度涂层可以得出：当AI2O3的质量分数为80%时涂层的显微硬度最高，涂层成 分的梯度化有利于涂层的结合强度和抗热震性能的提高。Si -Mo及其他金属间化合物/AI2O3陶瓷基复合材料211 Si -Mo金属间化合物/ AI2O3陶瓷基复合材料S-i Mo金属间化合物包括MoS

10、i2、Mo5Si3和Mo3Si。 由于S-i Mo金属间化合物在BDT温度（脆性转化为韧性的温度）以上是一种韧相，它们可以对脆性 陶瓷产生韧化作用。MoSi2在几乎所有的结构陶瓷中（如：SiC、Si3N4、ZrO2、AI2O3、TiB2、TiC 等）是热力学稳定的，同时Al2O3与MoSi2的热膨胀系数十分相近，在MoSi2增强Al2O3基复 合材料中 ， 不会产生热应力裂纹。作为其极为重要的应用方面，Anne-LaureDumont等人结合流延积层，利用SHS烧结工艺成功地制备了MoSi2/AI2O3功能梯度电阻材料。当 MoSi2 的含量从 20%增加到 40%（ 体积分数 ） 时， 材料

11、的室温电阻率也从 1.5*10a8欧cm减小到0,38欧cm。并指出，在SHS过程中当各层的厚度大于500um、加压3MPa时，就可以明显地减少材料的孔隙率，通过控制在SHS反应中形成的液相数量（反应生成物AI2O3和MoSi2均有稀释燃烧反应的作用）来实现层状结构，当每层中液相的数量大于 35%（体积分数 ）时， 就可以制备出铝含量从 21%到 81%（体积分数 ）的梯度复合材料。212其他金属间化合物/ AI2O3陶瓷基复合材料为了解决一些实际的应用问题，许多学者在其他金属间化合物AI2O3陶瓷复合材料方面也做了 些研究。程广萍等15采用自蔓延-离心工艺制备出Fe2Ti金属间化合物/ AI

12、2O3陶瓷内衬复合 钢管。对内衬的显微组织及物相组成进行了分析。结果表明， 内衬主要由大小不均的颗粒状或团聚状金属间化合物Fe2T、规则块状AI2O3陶瓷以及一定数量的自蔓延反应不完全产物Ti3O5构成。衬层内壁有一以AI2O3、FeO#AI2O3为主的陶瓷薄层。与相同工艺制 备的AI2O3陶瓷内衬相比，它在保持较高硬度的同时具备了一定的韧性。张春光等16通过金属 间化合物N-i Ti焊料，利用部分液相瞬间连接工艺，实现了高纯AI2O3瓷和可伐合金的气密性连 接。研究表明 ， N-i Ti 焊料会在焊缝中间形成条 Ti 固熔体带 ， 起到柔性缓冲 层的作用 ;连接强 度随着保温时间的延长逐渐提

13、高 ， 到达定程度后减缓 ;连接强度并不随 着焊接温度的上升而单调 上升 ， 接头性能随温度的上升波动较大 ， 焊接适用温度范围比较窄2 应用随着科学技术的发展及制造技术的提高， 氧化铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得到越来越广泛的应用。1 ） 机械方面。 有耐磨氧化铝陶瓷衬 衬板、 衬片 ， 氧化铝陶瓷钉 ， 陶瓷密封件 （ 氧化铝 砖、 瓷球阀 ） ， 黑色氧化铝陶瓷 陶 ， 红色氧化铝陶瓷柱塞等。切削刀具有图）2） 电子、电力方面。有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以 及各种氧 化铝陶瓷电绝缘瓷件 ， 电子材料 ， 磁性材料等。3）化工方面。有氧化铝陶瓷化工填

14、料球 ， 氧化铝陶瓷微滤膜 ， 氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。4）医学方面。有氧化铝陶瓷人工骨 ， 羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节 等。5）建筑卫生陶瓷方面。球磨机用氧化铝陶瓷衬砖、微晶耐磨氧化铝球石的应用已十分普及 氧化铝 陶瓷辊棒、 氧化铝陶瓷保护管及各种氧化铝质、 氧化铝结合其他材质耐火材料的应用 随处可见。6）其他方面。各种复合、改性的氧化铝陶瓷如碳纤维增强氧化铝陶瓷， 氧化锆增强氧化铝陶瓷等各种增韧氧化铝陶瓷越来越多地应用于高科技领域 ; 氧化铝陶瓷磨料、 高级抛光膏在 机械、珠 宝加工行业起到越来越重要的作用 ; 此外氧化铝陶瓷研磨介质在涂料、油漆、化妆 品、食品、制药等

15、 行业的原材料粉磨和加工方面应用也越来越广泛表 2 各种陶瓷刀具材料的性能比较产地主要成分抗弯强/M laHRAK /M Pa* m1/2德国A1产350095養 5- 4 5AI2O3+ rtc60094- 96入头4 5美国600947日本A1心5- 7)09454 0-48恥490092. 5氐0美国Si?N4+ Tic75093. 5丄3Si3N481092. 64. 5A 6. 0中国Al2f)3+ TiC85092- 944. S本材料Fl XU Al2()385091- 947. 2- 8. 35何柏林，熊光耀，缪燕平，金属间化合物/ AI2O3陶瓷基复合材料的研究进展，粉末冶金

16、工业 POWDERMETALLURGYINDUSTR八 18 卷第 3 期 2008 年 6 月金胜利， 李亚伟，定向金属氧化法制备 Al/Al2O3 陶瓷基复合材料研究现状，材料导报， 2006年 6 月第 20 卷第 6 期张孟杰范润华，新型氧化铝陶瓷基复合材料的制备和应用，化工新型材料NEWCHEMICAL MATERIALS 第 30 卷第 8 期 2002 年 8 月潘 冶 张传 张衍成 孙国雄，氧化铝陶瓷基复合材料的制备与微观组织，复合材料 特种铸造及有色合金 2005年第 25卷第 6期朱志斌郭志军文U英，氧化铝陶瓷的发展与应用，全国性建材科技期刊陶瓷2003年第1期总第161 期雷杨俊， 肖定全，锰铬体掺杂对氧化铝陶瓷绝缘子性能的影响，硅酸 盐学报 JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIET2005 年 7 月第 33 卷第 7 期