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大國重器的理想材料——陶瓷復合材料

新聞資訊

大國重器的理想材料——陶瓷復合材料

【摘要】:
陶瓷材料耐溫能力高、力學性能好、密度低,很早就被認為是發動機高溫結構的理想材料,但由于陶瓷韌性差,一旦損壞會引起發動機災難性后果,因而限制了其應用。為提高陶瓷材料的韌性,材料學家經過不懈努力發展出陶瓷基復合材料。?陶瓷基復合材料是指在陶瓷基體中引入增強材料,形成以引入的增強材料為分散相,以陶瓷基體為連續相的復合材料,它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導率低、熱膨脹系數低、耐化學腐蝕、強度高、硬度大

陶瓷材料耐溫能力高、力學性能好、密度低,很早就被認為是發動機高溫結構的理想材料,但由于陶瓷韌性差,一旦損壞會引起發動機災難性后果,因而限制了其應用。為提高陶瓷材料的韌性,材料學家經過不懈努力發展出陶瓷基復合材料。
 

陶瓷基復合材料是指在陶瓷基體中引入增強材料,形成以引入的增強材料為分散相,以陶瓷基體為連續相的復合材料,它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導率低、熱膨脹系數低、耐化學腐蝕、強度高、硬度大及介電、透波等特點,在航空、航天等眾多領域有著廣泛的應用。
 

陶瓷基復合材料的分類
 

陶瓷基復合材料,根據增強體分成兩大類:連續增強的復合材料和不連續增強的復合材料。其中,連續增強的復合材料包括一方向,二方向和三方向纖維增強的復合材料,也包括多層陶瓷復合材料;不連續增強的復合材料包括晶須、晶片和顆粒的第二組元增強體和自身增強體。
 

陶瓷基復合材料也可以根據基體分成氧化物基和非氧化物基復合材料。氧化物基復合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、復合氧化物等,弱增強纖維也是氧化物,常稱為全氧化物復合材料。非氧化物基復合材料以SiC、Si3N4、MoS2基為主。
 

陶瓷基復合材料的制備
 

化學氣相滲透法
 

化學氣相滲透法的工藝流程主要為:將先驅體和載體按照特定比例通入沉積室中,通過氣體擴散作用或由壓力差產生的定向流動將氣態先驅體擴散至纖維預制體內部,進而在纖維表面裂解和沉積,實現纖維預制體的致密化。該工藝的優點是制備過程中纖維損傷較小,制備的陶瓷基體純度高、晶型完整,復合材料的力學性能較高,但是制備工藝較為復雜、成本高、周期長、制備的復合材料孔隙率高。
 

聚合物浸漬裂解法
 

聚合物浸漬裂解法以聚合物液相先驅體(或溶液)為浸漬劑,通過多循環交聯固化、高溫裂解,獲得致密化的復合材料。該工藝的優點是處理溫度低,近凈成型,能夠制備復雜大尺寸構件,其缺點是陶瓷收率低、制造周期長、材料孔隙率高。
 

漿料浸漬熱壓法
 

漿料浸漬熱壓法的工藝流程為:首先將陶瓷纖維浸漬于含有陶瓷基體的漿料中,將表面涂覆漿料的纖維纏繞至滾筒,進而制成無緯布,經切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結后,獲得致密化的復合材料。該工藝簡單,成本較低。但熱壓工藝容易使纖維造成損傷,降低了復合材料的力學性能;此外,該工藝用于制備一維或二維復合材料,難以制備大型陶瓷基復合材料構件。
 

熔體浸漬工藝
 

熔體浸漬法的基本原理為將金屬或合金加熱到熔融液態,然后在一定的工藝條件下滲透至纖維預制體內部,進而發生反應生成陶瓷基體。該工藝最大的優點為能夠通過一次成型制備致密且基本無缺陷的基體,而且預成型件與構件之間結構尺寸較小,被認為是快速、低成本制備近凈成型復雜形狀構件的有效途徑。其缺點在于處理溫度較高,制備過程中殘留一定體積的金屬,影響復合材料的性能。
 

陶瓷基復合材料的增韌技術
 

纖維增韌
 

纖維增韌要求盡量滿足纖維與基體陶瓷的化學相容性和物理相容性。纖維增強陶瓷基復合材料的增韌機制包括基體預壓縮應力、裂紋擴展受阻、纖維拔出、纖維橋聯、裂紋偏轉、相變增韌等。目前能用于增強陶瓷基復合材料的纖維種類較多,包括氧化鋁系列(包括莫來石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纖維等,除了上述系列纖維外,現在正在研發的還有BN、TiC、B4C等復相纖維。
 

晶須增韌
 

陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶,它有很高的強度,是一種非常理想的陶瓷基復合材料的增韌增強體。晶須增韌陶瓷基復合材料的主要增韌機制包括晶須拔出、裂紋偏轉、晶須橋聯。目前常用的陶瓷晶須有SiC晶須和Al2O3晶須;基體常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫來石等。
 

顆粒增韌
 

利用顆粒作為增韌劑,制備顆粒增韌陶瓷基復合材料,其原料的均勻分散及燒結致密化都比短纖維及晶須復合材料簡便易行。因此,盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維的效果好,但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當,仍有一定的韌化效果,同時會帶來高溫強度、高溫蠕變性能的改善。顆粒增韌按增韌機理可分為非相變第二相顆粒增韌、延性顆粒增韌、納米顆粒增韌。
 

相變增韌
 

相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發展前途的新型結構陶瓷,其主要是利用ZrO2相變特性來提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強度,使其具有優良的力學性能,低的導熱系數和良好的抗熱震性。它還可以用來顯著提高脆性材料的韌性和強度,是復合材料和復合陶瓷中重要的增韌劑。
 

納米復合陶瓷增韌
 

納米陶瓷由于晶粒的細化,晶界數量會極大增加(納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響材料的宏觀強度),可使材料的強度、韌性顯著增加。納米相在復合陶瓷中以兩種形式存在,一種是分布在微米級陶瓷晶粒之間的晶間納米相;另一種則“嵌入”基質晶粒內部,被稱為晶內納米相或“內晶型”結構。兩種結構共同作用產生了兩個顯著的效應:穿晶斷裂和多重界面,從而對材料的力學性能起到重要的影響。
 

自增韌陶瓷
 

如果在陶瓷基體中引入第二相材料,該相不是事先單獨制備的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,然后控制生成條件和反應過程,直接通過高溫化學反應或者相變過程,在主晶相基體中生長出均勻分布的晶須、高長徑比的晶?;蚓脑鰪婓w,形成陶瓷復合材料,這稱為自增韌。這樣可以避免兩相不相容、分布不均勻的問題,其強度和韌性都比外來第二相增韌的同種材料高。自增韌陶瓷的增韌機理類似于晶須對材料的增韌機理,有裂紋的橋接增韌、裂紋的偏轉和晶粒的拔出,其中橋接增韌是主要的增韌機理。

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