材料学术前沿讲座

关于陶瓷复合材料和新材料的研究现状和发展趋势

摘要：本文阐述了陶瓷基复合材料的现状和发展趋势，主要内容有:陶瓷基复合材抖的发展和应用前景；纤维材料,多种陶瓷基体材料的韧化研究;陶瓷基复合材抖的制备加工技术;陶瓷增韧的力学机理和材料结构性能的研究情况；陶瓷基复合材料的进一步发展。同时对新材料及其各种加工工艺进行了综述性分析，具体为：纳米技术与纳米材料；成形加工与定向凝固；快速凝固技术和材料；晶体生长技术；金属基复合材料制备技术；生物复合涂层制备技术；先进材料制备加工技术发展趋势。

Abstract: This paper expounds the present situation and development trend of ceramic matrix composites. The main contents of the paper includes: The development and the application of the ceramic matrix composite material; Fiber materials, The variety of toughening ceramic matrix materials research; The preparation of ceramic matrix composite technology; The mechanism of the ceramic toughening and the property of the material; The further development of ceramic matrix composites. Meanwhile, the summarized analysis of the new materials and their processing technology. The details are as follows: The nanotechnology and the nanomaterials; The molding processing and the directional solidification; The rapid solidification techniques and materials; The crystal growth technique; The preparation of the metal matrix composites; The biological composite coating preparation technology; The developing trend of the preparation processing technology of the advanced materials .

1、陶瓷复合材料

1.1 陶瓷复合材料概况

陶瓷基复合材料(CMC),一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。与常规材料和非陶瓷复合材料相比,陶瓷材料有耐高温、抗腐蚀、超硬度等优点.因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高衣术新材料而给以重点研究和发展,并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划,出现了陶瓷热。然而,常规结构陶瓷还存在缺陷和问题,主要是材料脆性,可靠性不高等,应用于陶瓷发动机结构还有一些技术间题,急待研究解决。陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于它可改善陶瓷基体材料的力学性能,特别是脆性,因此,陶瓷基复合材料的发展和研究将成为大规模陶瓷热机研究计划取得成功的关键。

1.2陶瓷复合材料分类

陶瓷复合材料的组分可分为增强体和基体两部分。增强体研究主要是高性能纤维和晶须的研制,这是各种陶瓷基复合材料发展的基础条件。按照陶瓷材料的增韧可以分为碳化物陶瓷、氮化物和硼化物陶瓷、氧化物陶瓷和玻璃基材料。

1.2.1碳化物陶瓷

最早出现的韧化SIC材料是颗粒增强SIC材料“Norce-33”,被用于电火花机床中。其它碳化物复合材料还有:SCI化学气相沉积(CVD)纤维增强结构;碳/碳化硅混合材料和碳/碳复合材料;颗粒增强材料:碳化钦颗粒增强碳化硅,它可以提高断裂韧度和强度,碳化钦与陶瓷相混合还可以改进抗氧化性能;氧化被/碳化硅也是颗粒增强材料,它可用来制作微电路基片.

1.2.2氮化物和硼化物陶瓷

SIC纤维和晶须增强Si3N4陶瓷可以得到断裂韧性提高,加入添加剂如CeO2、BN等还可以改进抗热冲击性能和热性能。氧化错颗粒增强氮化硅也获得一定的成功。

1.2.3氧化物陶瓷

增韧氧化铝、氧化错陶瓷是这类材料中最令人感兴趣的材料。增韧氧化铝有SIC晶/Al2O3基和SIC纤维/ Al2O3。基复合材料;氧化错颗粒增强氧化铝,它的高温性能比相变增韧氧化错更好,因而成为无冷却柴油发动机最有发展前途的材料之一:此外还有研究加入钻石增强Al2O3陶瓷的情况。

1.2.4玻璃基材料

玻璃和玻璃—陶瓷基材料可以与纤维复合,其原因在于它易于热压加工成形。Nica-lon 纤维增强玻璃—陶瓷基材料的力学性能很好,加工制备成本还可以降低,这种复合材料很可能在陶瓷发动机结构中得到应用。

1.3 陶瓷复合材料的制备及烧结工艺

1.3.1溶胶—凝胶(Sol-Gel)法

溶胶—凝胶技术是指金属有机物或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经过加热处理生产氧化物或其他化合物固体的方法.在制备陶瓷工艺中也称为SSG法.它是制备陶瓷复合材料的一种较新的方法,通过把各种添加剂、功能有机物或分子、晶种均匀分散在凝胶基质中,加热处理后,此均匀分布状态仍能保存下来.该法的优点是复合材料的均匀性好,加工温度低.

1.3.2化学气相浸渍法(CVI). CVI法是把反应物

气体浸渍到多孔预制件的内部,发生化学反应并进行沉积,从而形成陶瓷复合材料.CVI 工艺中最具有代表性的方法有等温CVI法(ICVI)和热梯度强制对流CVI法(FCVI).ICVI法又称静态法,是将被浸渍的部件放在等温的空间,反应物气体通过扩散入到多孔预制件内,发生化学反应并沉积,而副产物气体再通过扩散向外散逸.通过降低气体的压力和沉积温度提高浸渍深度,在沉积过程中通过对部件的表面加工处理来提高复合材料的致密度.该法工艺和设备简单,目前被广泛采用.FCVI是美国ORNL实验室的研究者提出的一种动态的CVI 法.具体做法是:在纤维预制件内施加一个温度梯度,同时不定期施加一个反向的气体压力梯度,迫使反应气体强行通过预制体.FCVI的传质过程是通过对流来实现的,因此可用于制作厚壁部件.

1.3.3多相悬浮液混合法

此法主要用于制取纳米陶瓷.其主要过程是,根据胶体化学中稳定悬浮液的三种机制,即静电(electrostatle)作用、空间位阻(steric)作用和电空间稳定(electrosteric stabilization),先制备各组元的单相悬浮液并加入分散剂,通过调节pH值和分散剂的加入量,使颗粒表面的分散剂达到饱和吸附值,然后优选出两组元(或多组元)都具有良好分散性的混合悬浮液.将各单相悬浮液混合球磨,得到无效混合悬浮液;其后体系絮凝、干燥,即可得到超细混合的粉体.

1.3.4聚合物插层法

聚合物插层法是制备高性能有机-无机纳米复合材料的一种新方法.此法可进一步提高复合材料力学性能、耐热性及气、液阻隔性能.特别是聚合物(如聚酰亚胺、聚乙烯、环氧、聚胺酯等)与蒙脱石插层制成了不同类型的陶瓷复合材料.