金属陶瓷复合材料

金属陶瓷复合材料

何洋

( 材料科学与工程一班 200911102016 )

摘要本文从复合材料入手介绍Al/Al2O3陶瓷基复合材料，定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料，Al/Al2O3陶瓷基复合材料的低温烧结，金属陶瓷材料的应用以及研究现状、前景。

Abstract The article introduces composite material of Al/Al2O3 ceramic matrix composites， directional metal oxidation method for Al/Al2O3 ceramic matrix composites， Al/Al2O3ceramic matrix composites， low temperature sintering， metal，ceramic materials application and research status， prospects。

关键词复合材料；Al/Al2O3 ；定向金属氧化法；低温烧结；应用；前景

Key words composite materials； Al/Al2O3； directed metal oxidation； low temperature sintering； application； prospects

复合材料(Composite materials)

由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

氧化铝(Al2O3 ) 陶瓷

先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、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：可用于切削刀具、磨环、模具；是理想的集成电路基板材料；还可用作催化剂载体、热交换管、阀门、化学泵等。

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Al2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。改善氧化铝陶瓷材料脆性的方法很多，如提高材料的密度、纯度、晶体完整性，以及改变晶形、晶粒尺寸、晶界状况等，或通过微裂纹韧化、ZrO2相变增韧、颗粒弥散、纤维增韧方法等[1]。其中，近年来，在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的Al/Al2O3陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域，其制备工艺主要有烧结[2]、熔体浸渍[3]、定向金化法[4]3 种。由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成Al2O3钝化膜，使Al 粉和Al2O3颗粒之间表现出很差的润湿性，导致烧结法制备Al/Al2O3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]。

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(Directed Metal Oxidation ，简称DMOX) [8]。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/ Al2O3陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的α-Al2O3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Al2O3晶间纯净，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。

Mg、Si 合金成分的影响

众所周知，在空气环境下金属铝液极容易氧化而在其表面生成一层氧化铝钝化膜，阻止了铝液与氧的进一步反应，如果要使金属铝能够持续氧化，必须引入

合金成分来破坏该钝化膜，提高金属铝液与氧化铝之间的润湿程度。A。Banerji[9]推测，这些起改善润湿作用的合金成分可能降低液体表面张力或固液界面能，促进固液界面反应。

尽管在材料制备过程中，不添加金属硅的铝合金熔液也能出现定向氧化生长[9]，但铝合金熔液具有一定粘度，研究发现ⅣA 族的Si、Ge 、Sn、Pb 可以改善其对陶瓷材料的润湿性，目前广泛采用的是Si[4]。在反应过程中，大部分Si 残留在母合金残骸中，少量的Si 均匀分布在整个反应产物内部，这与金属Mg 主要富集在金属通道中的分布不同[10]。虽然金属硅的引入改变了反应速度[11]，但其含量增加导致产物内部气孔率和金属铝含量也显著增加[12]。总的来说，金属硅在定向氧化法制备Al/Al2O3材料的可能作用机理主要集中在如下几个方面：(1) 降低熔液与氧化物的润湿角，提高液相的润湿程度，对于Al2Mg 合金来说，尤其降低了其表面张力[13，14]；(2) 影响氧在液相中的传输[10]；(3) 控制镁的活度并促进反应前沿的氧化镁和镁铝尖晶石溶解转化[15，16 ]。

温度与气氛的影响

热处理温度影响着定向氧化制备Al/ Al2O3材料的生长速率和反应阶段。通过表面和断口的观察将反应按温度分为 4 个阶段：(1) 合金被加热熔化到900 ℃时，表面迅速氧化成MgO 覆盖的尖晶石层；(2) 继续加热到1100～1300 ℃，内部扩散与渗透加剧，双层变厚；(3) 金属通过微观管道传输到反应前沿，Al2O3/ Al 成核；(4) 小的Al/Al2O3复合材料核生长并聚集形成大的生长前沿面，整个过程Al/ Al2O3始终被MgO 层覆盖。此外，温度也影响着Al2Mg2O三元系统的平衡镁含量[17]和镁蒸气压[16]，如随着处理温度的升高，Al2Mg2Al2O3的平衡镁含量增加，而镁蒸气压与温度的指数成正比。

处理气氛对合金定向氧化生长的影响也不容忽视。在反应初期，随着氧压的增加，质量增加速率明显，反应后期氧压的增加则对质量增加速率影响不大[16]。Zn23。1 %Cu21。1Fe %20。25 %Mg 时，增重变化不明显。

预形体的影响