陶瓷复合材料

* 太原理工大学理学院,030024太原收稿日期:2003-03-05陶瓷复合材料

梁丽萍*

摘 要 文章论述了复合功能陶瓷的制备原则和种类、制备技术的发展,对其特点

进行了分析。

关键词 陶瓷 复合材料 制备技术

中图分类号 TB332 文献标识码 A 文章编号 1004 6429(2003)03 62 02

自上个世纪初,陶瓷材料开始步入工业应用领域就对材料的性能提出了新的要求,随着自动化技术的不断发展,对功能陶瓷元器件的需求日益增加,对其要求亦愈来愈高,当材料固有性质无法满足使用要求时,必须根据要求设计出具有某种特性的新材料,于是复合功能陶瓷应运而生。所谓复合功能陶瓷材料是为了获得单种功能陶瓷材料所不具备的物理性能,而把不同的功能陶瓷与高分子材料进行复合而成的复合功能陶瓷材料。

一、陶瓷复合材料的制备原则

如何根据使用要求选择不同组分的复合陶瓷材料是一个相当复杂的问题,大致可归纳如下若干原则:

1、组成相的物理化学性质的相互匹配

在设计组成时,应考虑各组成相热力学性质的相容性,因为热力学参数决定了各相的分布状态。应从粉料的活性、化学反应速率、反应焓变、有无相变、相变潜热等方面给以综合考虑。对不同复相系统而言,均要求各相之间不存在强烈化学反应,以避免其一相消失或受到严重侵蚀,而不能发挥该相的特点:另外大部分功能陶瓷都存在多晶型转变的结构相变,且控制相变的因素决不只是温度,掺杂效应对相变也有相当大的影响,当不同相复合时,各相的相变潜热应差别不大,否则在烧结或冷却过程中会出现因相变而开裂的问题。

2、各组成相在物理性能上的匹配

不同相在物理性能上的匹配对复合功能陶瓷的性能会产生较大影响,物理性能包括弹性模量、热膨胀系数、熔点、机械强度等,此外还包括氧化物的物理特性,如压电性、铁电性、反铁电性、铁磁性、反铁磁性等,这些性质均应考虑在内。其中弹性模量、热膨胀系数上的差异,是构成基体和第二相物质之间,在烧结冷却阶段造成基体受到径向张应力和切向压缩应力的原因,这种应力应远低于材料的自身强度,因此弹性模量、热膨胀系数的差别不宜过大,否则会造成内部缺陷,影响强度的改善。

3、制备技术的选择

物理化学相互匹配只是复合材料制备的必要条件,能否制备出优良性能叠加的复合材料,还需要克服制备技术方面的困难。例如:如何解决好多相系统的均匀分散问题,尤其是密度差别悬殊的多相颗粒的混匀,由于多相颗粒密度差别大用球磨或搅拌法均难以混匀。又如金属陶瓷复合材料在反应烧结技术发明以前,通过烧结法制备金属陶瓷复合材料有很多限制,它要求金属与陶瓷相互润湿,有一定的互润湿性,熔点差距小。

二、陶瓷复合材料的种类

陶瓷复合材料从结构上可以分为:固溶体(多元单相系统)和非固溶型(多元多相系统)。而非固溶型又分为机械混合型、晶界偏析型、包覆型和两相反应型,分别介绍如下:

1、固溶型

固溶型是一种常见的情形。例如汽车氧敏材料CoO-MgO-NiO系统,Co、Mg、Ni、离子半径、电负性相差不大,可以形成无限固溶体。

2、机械混合型

机械混合型是指材料的组成相之间仅有微量的固溶、取代等反应,各组成相基本上处于机械混合状态,典型的有: BaSnO3-BaWO4复合电子陶瓷为BaSnO3和BaWO4的机械混合物,是一种低B值NTC热敏材料,在室温到200之间的阻温关系基本呈线性。

3、晶界偏析型

Ba(Sn,Sb)O3+Bi2O3陶瓷复合材料,其结构为晶界偏析型复合陶瓷结构,该复合材料在 20~250范围内具有良好的线型阻温特性,呈现线型阻温特性的原因在于其结构本身具有极小电导激活能的晶粒和极小电子势垒的晶界。

4、包覆型

包覆型陶瓷复合材料中,因主体相熔点的差异,使得在某一烧结温度下其中一相首先变为液相,包覆了另外一相,从而产生了比较特殊的性能。如将BaTiO3和NaNbO3混合后,选择高于NaNbO3熔点但低于BaT i O3熔点的烧结温度进行快速液相烧结,使NaNbO3熔化并包覆于BaTiO3晶粒上,得到晶粒为铁电性而晶界为反铁电性的复合材料,大大提高了复合材料的介电常数。

5、两相反应型

两相反应型陶瓷复合材料中,复合材料的各组分之间发生了化学反应,生成了一种新化合物,材料的电学、磁学性能基本上由这种新化合物决定。

例如王佐诚等人制造出高性能的Pr8Fe86B6(体积分数约为70%Pr2Fe14B和30%Fe)的纳米复合永磁材料,其性能达

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到Br=1.28T,H ci=461.68KA.m-1,(B H)m=165.57KJ. m-3。

三、陶瓷复合材料的制备技术

现有的陶瓷复合材料制备技术有十几种,有反应和非反应之分,按工艺过程中基本状态(固、液、气)来划分,如表1所示

表1 陶瓷符合材料的制备技术

基体状态反应非反应

固态自蔓延高温合成

(S HS),Lan x ide

热压烧结、热等静压

烧结、微波烧结、无

压泥浆渗透

液态反应渗透、溶胶-凝

胶、聚合物热解

熔体非反应渗透

气态化学气相渗透

SHS是利用放热反应自身所释放的能量来促成合成反应不断进行,自蔓延燃烧一经点燃,就可达2000~5000K高温,反应速率很快,在分秒之间,因此无需高温加热设备。它的优点是节能高效,工艺简单,缺点是材料难以致密,即使在压力状态下也难以致密。该法制备的材料主要有:TiC/ A12O3和TiB2/Al1O3等。Lan x ide工艺是由美国Lanxide公司于八十年代中期发明的一种新型的材料复合技术,它通过金属熔体在高温与氧化剂反应,形成以固态化合物为基体,复合有5~30Vo1%金属的陶瓷基复合材料,典型的例子有Al Mg Si合金熔体在1000~1400与O2反应形成A12O3/Al 复合材料的抗弯强度可达400MPa。反应渗透工艺指熔体渗透到陶瓷预制体中,熔体与陶瓷预制体发生反应形成固体产物。溶胶 凝胶、聚合物热解这两种工艺为渗透工艺的发展,均属于流态浸透工艺范畴。化学气相渗透(C Vl)工艺指气体渗透到陶瓷预制体中,并发生反应形成固态物质。

非反应类工艺包括热压烧结、热等静压烧结、无压烧结、微波烧结、泥浆渗透和熔体非反应渗透工艺。

Ceramic Composite

Liang Liping

ABSTRACT:This paper discusses on the preparation principles and the developmen t of preparation techniques of ceramic composite,and makes analysis on its features.

KEY WORDS:ceramics composite preparation technique

(上接第59页)

#在处理钻头埋在孔底时,有些情况需要注意:

a:如牙轮钻往往有一块厚钢板,钻孔压浆时必须钻窜钢板才能处理到钻头下方的空间。

b:锤体厚实,预留抽芯管时,要探准锤瓣间的空挡位置,有时为了避开巨大的钻头或桩顶不便于摆放抽芯钻机时,可从桩外钻斜孔进入被埋钻头下方进行处理。

∃当钻头不是卡在孔底或则卡钻时孔底尚未达到设计标高时,抽芯孔底应钻穿钻头直到钻底持力层,判别地质情况和孔底空间大小后再确定处理方案。

2.人工凿孔处理缺陷

如缺陷范围大,且发生在护筒内或则当桩经大于2米时,可以考虑人工凿孔处理。护筒内的缺陷可以通过完全凿除缺陷部位以上的桩身混凝土来解决。

大直径桩的缺陷在护筒以下时,可在桩中心用风镐凿孔直达缺陷部位,孔的直径应保证人员能正常操作(1.2米以上),然后人工清除软弱部分,再喷水清洗孔壁,抽干水并清除杂物后用串筒浇注混凝土。

如在凿孔过程中发现严重漏水,可在桩外旋喷水泥帷幕,形成强度后再继续施工。由于要堵水,旋喷口的间距应适当加密。

三、结束语

钻孔灌注桩断桩及缺陷修补处理是一项不愿发生并使人非常头疼的事,断桩及缺陷不仅给施工带来许多麻烦,既影响进度又影响质量,而且造成了很大的损失,但是若出现断桩和缺陷,也得正视并认真处理,不留后患,以确保工程质量。本文介绍的各种情况下断桩处理和桩基缺陷处理方案,希望能给桥梁钻孔灌注桩基础施工提供出现断桩和缺陷处理的参考。

Rupture of Bored Pile and Its Defect Treatment

Chen Wanchun

ABSTRACT:This paper introduces in detail the treatmen t of ruptured piles and pile foundation defects under different conditions.

KEY WORDS:bored pile ruptured pile defect treatment

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