陶瓷基材料的制备

陶瓷基复合材料的制备工艺

陈光

3110702047，金属1102，材料科学与工程学院

摘要：陶瓷基复合材料具有较好的力学性能并在很多方面有着重要作用。本文主要描述陶瓷基复合材料的发展现状，制备工艺及工艺对比

关键词：陶瓷基，复合材料，现状，制备工艺

一、陶瓷基复合材料的现状

传统陶瓷是以粘土为主要原料烧制而成，其成分中含硅酸盐。近代发展了不含硅酸盐的化合物陶瓷，如由氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硅物、硫化物或其它无机非金属材料制成的陶瓷。此外，还有在陶瓷中掺入金属的，金属陶瓷和以金属纤维或无机非金属纤维的增强陶瓷。这些陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷或高技术陶瓷。特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。由于性能特殊，这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。一些经济发达国家，特别是日本、美国和西欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质基础，投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷，因此，特种陶瓷的发展十分迅速，在技术上也有很大突破[ 1,2 ]。因此，许多科学家预言：特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。

二、制备工艺

1 浆料浸渍—热压法[ 3,4 ]

此方法是制备纤维增强玻璃和低熔点陶瓷基复合材料的传统方法(一般温度在1300℃以下), 也是最早用于制备FRCMCs 的方法。其主要工艺过程如下:将纤维浸渍在含有基体粉料的浆料中, 然后通过缠绕将浸有浆料的纤维制成无纬布, 经切片、叠加、热模压成型和热压烧结后制得复合材料。浆料一般由基体粉料、有机粘结剂、有机溶剂和烧结助剂组成。由于基体软化温度较低, 可使热压温度

接近或低于陶瓷软化温度, 利用某些陶瓷(如玻璃)的粘性流动来获得致密的复

合材料。此工艺主要用于玻璃和低熔点陶瓷基复合材料。然而, 通过液相烧结机制, 此工艺也可在高熔点陶瓷基复合材料中得到应用。

2 化学反应法[ 5-7 ]

化学气相沉积(CVD)法是纤维或晶须利用有机溶剂均匀分散后,经高温固化

成一定形状的骨架纤维体,此纤维体具有一定的强度,足以允许某些机加工和置

于化学气相沉积炉内操作。原料气体在纤维或晶须预成型体的空隙中发生反应,所生成的微小颗粒充填沉积在纤维间的空隙中,最后形成所要求的制品。化学气相渗入法(CV I)是20 世纪60 年代中期以后在CVD的基础上发展起来的,这种方

法是一种既可缩短工艺周期,又有利于工业化生产的复合材料制备工艺。其基本工艺是①等温工艺:把纤维预成型体置于炉内,反应气体流动通过炉子时扩散到

成型中去。②热梯度工艺:反应气体流过预成型体较冷表面,并通过预成型体的厚度方向向着加热表观扩散。③压力梯度工艺:在压力作用下,反应气体流动通过等温的纤维预成型体。反应烧结法(RP)该工艺是将短纤维或晶须与基体材料所用的原料在分散介质中均匀混合后,利用干压、等静压或注浆等冷态成型工艺成型,

经干燥后于反应烧结炉中反应烧结成制品。如BN纤维增强反应烧结Si3N4 复合材料是将BN 纤维剪成100mm左右的长度,与硅粉混合成型,在1450 ℃下氮化而成。采用浸渍和反应烧结相结合的方法制备SiC连续纤维增强Si3N4 基复合材料,这

一工艺首先是将SiC纤维预成型体固化,再将固化了的预成型体放入亚微米级的

Si - Si3N4 颗粒泥中浸渍, 而后在1300 ℃下使基体反应烧结(氮化反应) 。

3 熔体渗透(浸渍)法[ 8 ]

该方法法是以熔融金属的直接氧化反应为基础,在金属原位形成氧化物来制得氧化物- 纤维增强增韧复合材料。在高温下呈熔融状态的金属通过纤维或晶须的空隙向上部渗透,在渗透前沿的金属与顶部的反应气体接触而发生氧化反应,

由此在纤维或晶须的空隙中不断生成金属氧化物,从而形成纤维复合氧化物陶瓷。该法最早由Lanxide公司提出,所以也叫Lanxide法,它具有工艺简单、成本低、产品不收缩且低温性能较好等优点。此外,这种方法所制备的复合材料中一般残留有5% ～30%(体积)金属,因此会影响材料的高温性能。

4 溶胶- 凝胶法( Sol - Gel) [9]

此法是将纤维或晶须制成含大量空隙的一定形状的预成型体,然后将易流动的溶胶注入并让其入到纤维预成型体中,经凝胶化和干燥后烧结即可制得较致密的纤维/陶瓷基复合材料。其优点是复合体的均匀性好,烧结温度低,并由此可抑制纤维与基体间的界面反应。其缺点是复合体的收缩性大,易残留较多微细气孔,有时会残留较多的碳基或羟基,从而影响材料的性能。

5 晶须析出法[ 10 ]

在陶瓷粉体中加入一定量的晶须生长剂和原料,并压成密度不很高的坯体,将该坯体在中高温和适当气氛下处理,便可在复合体内部生长一定量的晶须和长径比较大的晶粒,晶须可在烧结后的陶复合体中起到增韧的作用。用这种方法制备的复合材料的密度较小,但工艺简单,且晶须分散性好,由于含较少的杂质,因此高温性能好,有人采用Si3N4的碳热还原的方法,制备出密度高、杂质含量低、晶须分散均匀的SiC晶须/Si3N4 陶瓷复合材料。

三、工艺对比

热压法制造陶瓷基复合材料具有设备简单, 成本低廉, 操作方便等特点, 但仅适用于单向或层状纤维补强的形状简单的陶瓷基复合材料。

化学反应法的主要优点是:(1)可以在远低于基体材料熔点的温度下合成陶瓷基体,避免了纤维与基体间的高温化学反应;(2)基体沉积过程对纤维基本上无损伤, 而保证了复合材料结构的完整性, 并可近净成型(near net shape)形状复杂的FRCMCs制品;(3)通过改变工艺条件, 可制备出单基、多基、变组分或变密度的FRCMCs, 有利于材料的优化设计与多功能化。该工艺的不足之处主要在于:(1)设备较复杂, 制备周期长;(2)不适合制备厚壁部件;(3)复合材料残余孔隙率较高(15～ 20%), 从而影响复合材料性能。

与其它制备方法相比, 熔体渗透法优点在于:(1)工艺简单, 只需一步渗透处理即可获得致密和无裂纹的陶瓷基复合材料;(2)从预制件到成品的加工过程中, 其尺寸基本不变;(3)可以制备形状复杂的制品, 并能够在一定程度上保持纤维骨架的形状和纤维的强度。然而, 对于陶瓷系统来说, 目前还很少采用此工艺。原因在于:(1)陶瓷熔点较高, 在浸透过程中容易损伤纤维和导致纤维与基体间发生界面反应;(2)陶瓷熔体的粘度远大于金属的粘度, 因此陶瓷熔体很难浸透。