提高熔融石英陶瓷力学性能的方法

提高熔融石英陶瓷力学性能的方法熔融石英陶瓷是在1963 年后才发展起来的一种以石英玻璃为原料特种耐火材料，采用陶瓷的生产工艺制造的，其成本要比透明石英玻璃制品低很多，甚至低10~100 倍。它不但具备了石英玻璃的优良特性，如线胀系数小，具有优良的热稳定性、电性能、核性能以及耐化学侵蚀性。而且还具有一些石英玻璃制品所缺乏的性质。如石英玻璃制品在使用时发生失透，即损坏报废，而石英陶瓷制品即使发生析晶也仍可使用。此外，由于熔融石英陶瓷导热性差，因此可应用到宇宙飞船，火箭，导弹，原子能工业，电子工业，以及一般冶金，建材与化学工业，是一种很有前途的材料。

熔融石英陶瓷可满足导弹天线罩所要求的介电性能、抗热冲击性、温度敏感性、热防护能力等要求。熔融石英陶瓷导弹天线罩的缺点是力学性能不佳，强度较低（45~70MPa ），断裂韧性较低（约1MPa·m½），抗雨蚀性较差。那么为了提高熔融石英陶瓷的力学性能有哪些方法呢？

纤维和晶须增韧是一类有效的方法。

纤维增强复合材料以合成树脂等材料为基体，以各种纤维为分散质，是复合材料中品种最多、产量最大、应用最广的一大类。例如纤维增强陶瓷性能（石墨纤维增强氧化镁，碳纤维增强无定型二氧化硅、碳化硅等，碳化硅连续纤维增强氮化硅，氮化硅纤维增强氧化铝，氧化错纤维增强氧化错。）纤维增强陶瓷的加工技术主要有四种类型：浆液渗透与混合、溶液一凝胶技术、熔融渗透技术、“原位”化学反应技术。纤维增强陶瓷性能如下表：

晶须是具有近似规整截面,，其截面积小于5.2x10^-4cm2 长径比在5~ 1000，甚至更高，且内、外，结构几乎完整的一类单晶纤维材料。作为一种新颖的增强材料其具有高强、坚韧、耐热、耐磨、导电、阻尼、阻燃、吸波等许多特殊功能, 有着广泛的应用前景。晶须增韧陶

瓷复合材料主要有2种方法: ( 1) 外加晶须法: 即通过晶须分散、晶须与基体混合、成型、再经煅烧制得增韧陶瓷。如: 加入到氧化物、碳化物、氮化物等基体中得到增韧陶瓷复合材料, 此法目前较为普遍; ( 2) 原位生长晶须法: 将陶瓷基体粉末和晶须生长助剂等直接混合成型, 在一定的条件下原位合成晶须, 同时制备出含有该晶须的陶瓷复合材料。

晶须增韧陶瓷复合材料与很多因素有关, 首先晶须与基体应选择得当, 二者的物理、化学相容性要匹配才能使陶瓷复合材料在韧性上得到提高: ( 1)物理匹配: 当基体与晶须为物理结合时, 应注意弹性模量和膨胀系数的匹配。一般要求：晶须的弹性模量大于基体；晶须的膨胀系数稍大于基体或者尽量接近。（2）化学相容性:要使晶须与基体的界面结合力适中, 基体与晶须应尽量避免化学反应。在熔融石英陶瓷中加入晶须可以很好的提高其力学性能。例如：SiCw( 30%)-3Y-TZP复合材料在1000℃下抗弯强度是TZP基质的2倍,达400MPa，显示了SiCw补强高纯氧化浩( TZP)改善高温力学性能的巨大潜力; 在TiB2 基体中加入适量的SiCw, 可明显改善基体材料的抗弯强度和断裂韧性, 当SiCw的加入量为25%时, 其抗弯强度为560MPa, 断裂韧性7. 3MPa.m-2, 与纯TiB2 陶瓷相比, 复合材料的断裂韧性提高约115%; 0~ 25%SiCw加入量范围内, 材料的力学性能随SiCw量的增加呈增加趋势, 并且对材料中的t ZrO2 也具有稳定作用; 用SiCw增韧制成的陶瓷切削工具已应用于生产,当以Al2O3 或Si3N4 为基体材料加入SiCw时, 其刀具材料韧性和强度都有提高, 特别是断裂韧性一般比基体材料提高20%~ 30%, 有的甚至提高1倍多。

颗粒增强熔融石英复合材料

有如下的例子可以说明：六方BN 陶瓷常用作天线窗材料，它的介电常数及常温介电损耗都较低，在1 大气压N2中于3000℃升华，没有明显熔点，可加工性好。然而，纯的BN 陶瓷在高温再入条件下有信号衰减及热震破坏的缺点。由于极高的升华温度点及高的热导率，BN 陶瓷的表面温度极高、温度梯度较低，因此导致信号衰减。BN 陶瓷作为天线窗使用需解决的问题是降低表面温度、线胀系数和热导率、提高烧结性。BN 和熔融石英复合可以克服这2种材料各自的缺点。

哈尔滨工业大学研究了BN 体积分数为15%~90%系列BN- SiO2 材料。他们用BN 粉末和石英玻璃为原料，采用热压工艺制备了BN- SiO2 复合材料。实验结果表明，随着SiO2 含量的增加，烧结后材料的相对密度从93% 提高到99% 。加入BN 后，熔融石英的强度和韧性大大提高。加入体积分数15%BN 的材料的抗弯强度和断裂韧性分别是原来的1.4 倍和2.2 倍。在最佳组成60%BN 体积分数处，抗弯强度和断裂韧性分别达到了246 MPa 和2.8 MPa·m½。因为熔融石英的膨胀系数比BN 的稍低，所以在烧结后材料的界面上，熔

融石英总是处在压应力状态，材料的强度有较大提高。六方BN 的片状结构使其层间结合力弱、每层中结合力强。裂纹扩展时，由于遇到片状BN 晶粒导致裂纹偏转，断裂韧性因此增大。随着BN 的加入，熔融石英的抗烧蚀也有了明显提高。

总之，上述三种方法可以提高熔融石英陶瓷的力学性能，在保持熔融石英陶瓷优良性能的前提下，要达到更好的增强效果，需要解决石英玻璃的析晶、复合材料的致密化、增强剂与石英玻璃的匹配、大型构件的制备等许多问题，但是随着科技的发展，这些问题一定可以解决。而材料的各方面的性能也都可提高，能够很好的利用于我们的生活中。