層狀陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展

《層狀陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、全國性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第3期總第163期·15·層狀陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展1,21劉開平周敬恩(1西安交通大學(xué)材料學(xué)院710049)(2長安大學(xué)西安710054)摘要論述了層狀陶瓷復(fù)合材料的性能特點(diǎn)以及這種材料的發(fā)展現(xiàn)狀,從基體及夾層材料的類型選擇和匹配、結(jié)構(gòu)及界面的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的選取、料漿制備、薄層預(yù)制、復(fù)合成形、排膠燒結(jié)等方面介紹了當(dāng)前層狀陶瓷制備工藝技術(shù)的研究進(jìn)展;從性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面探討了在復(fù)合材料發(fā)展中目前存在的不足,指出了進(jìn)一步研究應(yīng)該解決的問題和未來的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞仿生材料仿生設(shè)計(jì)層

2、狀復(fù)合材料層狀陶瓷結(jié)構(gòu)材料[7]石墨疊層陶瓷材料。我國學(xué)者楊輝等從1992年起引言也開始進(jìn)行層狀復(fù)合陶瓷的研究,已取得了較大的進(jìn)展。由于這種結(jié)構(gòu)具有很大的設(shè)計(jì)自由度,并且比纖[8,9]近年來,圍繞著改善陶瓷材料韌性的問題,國內(nèi)外維復(fù)合材料成本低,體積分?jǐn)?shù)容易控制,因而成為進(jìn)行了大量的研究工作,其中采用層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近年來陶瓷增韌領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。進(jìn)行陶瓷增韌就是其中的方法之一。陶瓷的層狀復(fù)合是大自然中貝殼等生物材料的一種結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)。貝1層狀陶瓷的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)殼類生物材料是由95%以上的脆性文石晶體和少量的殼角蛋白以強(qiáng)弱相間

3、的層狀形式復(fù)合而成的,這種提高層狀陶瓷材料韌性的關(guān)鍵技術(shù)包括材料基體結(jié)構(gòu)具有比一般文石晶體高得多的綜合機(jī)械性能。層的優(yōu)化、夾層匹配的選擇、結(jié)構(gòu)及界面設(shè)計(jì)等。狀復(fù)合陶瓷也是在脆性的陶瓷層間加入不同材質(zhì)的較1.1材料選擇[1][2]軟或較韌的材料層(通常稱之為夾層、隔離層或界1.1.1基體材料[3]面層)制成。這種結(jié)構(gòu)的材料在應(yīng)力場中是一種能目前,層狀陶瓷復(fù)合材料研究的基體材料主要是量耗散結(jié)構(gòu),能克服陶瓷突發(fā)性斷裂的致命缺點(diǎn)。當(dāng)一些具有較高強(qiáng)度和彈性模量的結(jié)構(gòu)陶瓷材料,如材料受到彎曲或沖擊時(shí),裂紋多次在層界面處受到阻Al203,ZrO

4、2,SiC,Si3N4,TiB2,B4C等。礙而鈍化和偏折,有效地減弱了載荷下裂紋尖端的應(yīng)基體材料的強(qiáng)度對復(fù)合材料的性能有很大影響。力集中效應(yīng)。同時(shí),這種材料的強(qiáng)度受缺陷影響較小,根據(jù)W.J.Clegg的觀點(diǎn)[10],基體材料的強(qiáng)度直接影響[4]是一種耐缺陷材料。這種結(jié)構(gòu)可使陶瓷的韌性得到復(fù)合材料的斷裂韌性值。強(qiáng)度越高,斷裂韌性越高。1/2很大改善。以氮化硅為例,斷裂韌性達(dá)到20MPa·m基體材料增韌后可以提高層狀復(fù)合材料的斷裂性以上,抗彎強(qiáng)度達(dá)到600MPa以上,斷裂功提高2～3能?；w材料常用的增韌方法有顆粒彌散增韌、纖維[5

5、]個(gè)數(shù)量級。或晶須增韌、相變增韌等。研究證明,基體材料采用不[61990年W.J.Clegg等人首次試制出了碳化硅/同的增韌方法和材料其增韌效果是不同的(見表1)。表1基體材料對層狀陶瓷性能的影響序號單相基體/夾層材料性能多相基體/夾層材料性能抗折強(qiáng)度584MPa抗折強(qiáng)度410MPa1[11]β-SiC/(TiB2+42%B4C)(β-SiC+10%B4C+4%TiO2)/(TiB2+42%B4C)基體硬度4.0MPa基體硬度11.0MPa抗折強(qiáng)度310MPa抗折強(qiáng)度363MPa2[12]Al2O3/BN(Al2O3+ZrO2)/

6、BN-2-2沖擊強(qiáng)度68.1kJ.m沖擊強(qiáng)度88.6kJ.m·16·全國性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第3期總第163期從表1可以看出,序號1試樣采用B4C+TiO2彌會(huì)使材料的強(qiáng)度有所下降,但沖擊韌性大幅度提高。散增韌SiC基體材料時(shí),材料的抗彎強(qiáng)度反而下降。根據(jù)目前的研究情況,采用致密弱結(jié)合型夾層具有比造成這種情況的原因是所研究的材料的彌散相是一些較好的增韌效果。燒結(jié)助劑,燒結(jié)后基體材料的密度增高,硬度變大,韌采用強(qiáng)結(jié)合型材料時(shí),主要是利用殘余應(yīng)力、材料性降低。序號2的試樣采用ZrO2相變增韌Al2O3基體相變等機(jī)理進(jìn)

7、行增韌。例如文獻(xiàn)[16]介紹了以ZrO2材料,與層狀結(jié)構(gòu)一起起到了協(xié)同增韌作用,使材料性為基體材料,以Al2O3為夾層材料的情況。由于高彈能改善。因此,要發(fā)揮協(xié)同增韌作用,針對不同的基體性模量Al2O3層對基體材料自催化相變的阻擋作用,必須選擇合適的增韌材料和結(jié)構(gòu)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí),基體材料中裂紋附近的相變區(qū)急劇增1.1.2夾層材料的選擇原則寬,材料韌性得到大幅度提高。夾層材料是決定層狀陶瓷韌性高低的關(guān)鍵。夾層1.1.5纖維及高分子夾層材料材料選擇時(shí)一般要考慮以下因素:與基體不發(fā)生較大此類材料有碳纖維、芳綸纖維,環(huán)氧樹脂等。纖維化學(xué)反

8、應(yīng),以免生成不利的脆性產(chǎn)物;熱膨脹系數(shù)相差織物與聚合物的層狀復(fù)合材料是一種傳統(tǒng)復(fù)合材料,不應(yīng)太大,避免熱應(yīng)力開裂;強(qiáng)度適當(dāng),性能穩(wěn)定,且與技術(shù)和理論都比較成熟,但將其作為夾層材料應(yīng)用于基體結(jié)合強(qiáng)度適中,以利于裂紋偏折等。根據(jù)A.J.陶瓷增韌時(shí)間不長