晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

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1、晶須增韌陶瓷復(fù)合材料研究進(jìn)展蘆珊（學(xué)號07093095）電力系統(tǒng)及其自動化09-1班信息與電氣工程學(xué)院摘要綜述了晶須增韌陶瓷復(fù)合材料的制備方法和分類;討論了晶須陶瓷基復(fù)合材料的性能以及晶須參數(shù)對陶瓷材料力學(xué)性能、耐磨性、蠕變性能等方面的影響;并對陶瓷基復(fù)合材料晶須在陶瓷材料中的應(yīng)用、存在的問題及研究的發(fā)展趨勢等作以介紹。關(guān)鍵字晶須增韌晶須參數(shù)耐磨性蠕變性陶瓷1.引言陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異特性,但存在脆性大、易斷裂的缺點(diǎn),從而限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍,因此改善陶瓷材料的脆性、增大強(qiáng)度、提高其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性成為其能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。陶瓷材料的韌性可以通過晶須、纖維增韌,

2、顆粒彌散增韌和相變增韌等機(jī)理增強(qiáng)。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料被認(rèn)為是能解決高溫應(yīng)用的有效措施,目前該材料已商業(yè)化并應(yīng)用于切削刀具、耐磨零件、宇航和軍用器件等。[1]晶須是具有近似規(guī)整截面,其截面積小于4~10cm2,長徑比在5~1000,甚至更高,且內(nèi)、外結(jié)構(gòu)幾乎完整的一類單晶纖維材料。目前應(yīng)用較多的是Si-C晶須陶瓷基復(fù)合材料。2.晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備制備方法主要有兩種：要有2種方法:(1)外加晶須法:即通過晶須分散、晶須與基體混合、成形、再經(jīng)煅燒制得增韌陶瓷如加入到氧化物、碳化物、氮化物等基體中得到增韌陶瓷復(fù)合材料,此法目前較為普遍;(2)原位生長晶須法:將陶瓷基體粉末和晶須生

3、長助劑等直接混合成形,在一定的條件下原位合成晶須,同時制備出含有該晶須的陶瓷復(fù)合材料,這種方法尚未成熟,有待進(jìn)一步探索。[2]制備過程主要有三個：晶須的分散、成型和燒結(jié)。2.1晶須的分散主要包括以下過程：（1）酸洗清理。對晶須進(jìn)行酸洗清理或熱處理，可改變其表面的氧含量，從而影響晶須/基體界面的性質(zhì)。（2）晶須的過篩與分選。晶須的過篩有兩種效果：意識將緊密粘結(jié)在一起而又不易分離的晶須團(tuán)聚體或夾雜物除去：二是是晶須的尺寸大小控制在一定范圍內(nèi)。[3]2.2晶須增韌陶瓷經(jīng)復(fù)合材料的成型成型方法主要包括：半干法成型、注漿成型、流延成型、注射成型、擠出成型和軋模成型。2.3燒結(jié)致密化工藝主要有無壓

4、燒結(jié)和壓力輔助燒結(jié)。2.3.1無壓燒結(jié)相對熱壓和熱等靜壓燒結(jié)燒結(jié)溫度高、工藝復(fù)雜、設(shè)備造價高等缺陷,無壓燒結(jié)在含有添加劑的情況下具有燒結(jié)溫度低、工藝簡單、設(shè)備造價低等優(yōu)點(diǎn)。在Si-C晶須增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合材料在沒有添加燒結(jié)助劑的情況下,實(shí)現(xiàn)了碳化硅晶須增強(qiáng)鋯莫來石復(fù)合材料的常壓燒結(jié),碳化硅晶須的添加明顯提高了鋯莫來石材料的力學(xué)性能,實(shí)現(xiàn)了良好的物理化學(xué)匹配。[4]2.3.2壓力輔助燒結(jié)壓力輔助燒結(jié)主要有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、和等離子體放電燒結(jié)。(1)熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓(HIP)工藝具有降低燒結(jié)溫度、抑制晶粒長大、減少添加劑含量等優(yōu)點(diǎn),這主要是由于HIP燒結(jié)過程中,作用于樣品表面各向均衡

5、的壓力,既能促進(jìn)致密化過程,又能抑制晶粒的長大,因而更有利于改善材料的性能。[5]熱壓燒結(jié)是通過同時的高溫和壓力作用克服晶須的架橋效應(yīng)，晶須含量可達(dá)到60％，致密度可達(dá)到理論密度的95%[2]。熱等靜壓與熱壓燒結(jié)工藝相比,具有一定程度上降低燒結(jié)溫度的優(yōu)點(diǎn),但存在燒結(jié)工藝更加復(fù)雜、設(shè)備造價更高、不能進(jìn)行大件制品燒結(jié)等缺陷,故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用有限。(2)化學(xué)氣相滲透(CVI)法傳統(tǒng)的晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料使用燒結(jié)助劑來燒結(jié),但是高溫時低溶相的存在會破壞基體中的晶須,并且傳統(tǒng)的燒結(jié)方法會形成強(qiáng)的晶須與基體界面,從而降低晶須的增韌效果?；瘜W(xué)氣相沉積在Si-C晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料中運(yùn)用日趨成熟，大

6、大提高了復(fù)合材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度[6]。(3)等離子體放電燒結(jié)等離子體放電燒結(jié)是一種交心的燒結(jié)方法，與熱壓燒結(jié)類似的燒結(jié)過程也是在一定壓力作用下進(jìn)行的，所不同的是借助于等離子體放電燒結(jié)復(fù)合材料可在較低溫度下達(dá)到同樣的燒結(jié)致密度。[7]放電等離子燒結(jié)與傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)有著本質(zhì)的區(qū)別,其主要特點(diǎn)是通過陶瓷顆粒間的空位瞬時產(chǎn)生放電等離子,放電等離子激活和凈化燒結(jié)體內(nèi)部表面,進(jìn)而使得這些顆粒自身發(fā)熱,且在極短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)和物質(zhì)傳導(dǎo),因而具有非常高的熱效率,可在相當(dāng)短的時間內(nèi)使燒結(jié)體達(dá)到致密。[8]1.晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的的性能3.1對力學(xué)性能的影響(1)對韌性的影響晶須增韌是陶瓷經(jīng)

7、復(fù)合材料一種重要的增韌方法，是改善陶瓷脆性有效途徑。在SiCw-Al2O3基體復(fù)合材料中，韌性隨晶須直徑增大而提高的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)晶須直徑從0.3m提高到1.5m時,該復(fù)合材料的斷裂韌性從6.5MPam提高至12MPam。[9]早在七十年代,Lange等研究了Si3N4陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了長柱狀-Si3N4晶粒能夠改善和提高材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性(達(dá)到6MPa/m)。Luo等利用熱壓的方法制備的Y-La系自增韌Si3N4