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1、全国性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第3期总第163期·15·层状陶瓷复合材料制备技术的研究进展1,21刘开平周敬恩(1西安交通大学材料学院710049)(2长安大学西安710054)摘要论述了层状陶瓷复合材料的性能特点以及这种材料的发展现状,从基体及夹层材料的类型选择和匹配、结构及界面的设计、工艺参数的选取、料浆制备、薄层预制、复合成形、排胶烧结等方面介绍了当前层状陶瓷制备工艺技术的研究进展;从性能及结构优化等方面探讨了在复合材料发展中目前存在的不足,指出了进一步研究应该解决的问题和未来的发展前景。关键词仿生材料仿生设计层
2、状复合材料层状陶瓷结构材料[7]石墨叠层陶瓷材料。我国学者杨辉等从1992年起引言也开始进行层状复合陶瓷的研究,已取得了较大的进展。由于这种结构具有很大的设计自由度,并且比纤[8,9]近年来,围绕着改善陶瓷材料韧性的问题,国内外维复合材料成本低,体积分数容易控制,因而成为进行了大量的研究工作,其中采用层状复合结构设计近年来陶瓷增韧领域的研究热点之一。进行陶瓷增韧就是其中的方法之一。陶瓷的层状复合是大自然中贝壳等生物材料的一种结构仿生设计。贝1层状陶瓷的材料和结构设计壳类生物材料是由95%以上的脆性文石晶体和少量的壳角蛋白以强弱相间
3、的层状形式复合而成的,这种提高层状陶瓷材料韧性的关键技术包括材料基体结构具有比一般文石晶体高得多的综合机械性能。层的优化、夹层匹配的选择、结构及界面设计等。状复合陶瓷也是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较1.1材料选择[1][2]软或较韧的材料层(通常称之为夹层、隔离层或界1.1.1基体材料[3]面层)制成。这种结构的材料在应力场中是一种能目前,层状陶瓷复合材料研究的基体材料主要是量耗散结构,能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。当一些具有较高强度和弹性模量的结构陶瓷材料,如材料受到弯曲或冲击时,裂纹多次在层界面处受到阻Al203,ZrO
4、2,SiC,Si3N4,TiB2,B4C等。碍而钝化和偏折,有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应基体材料的强度对复合材料的性能有很大影响。力集中效应。同时,这种材料的强度受缺陷影响较小,根据W.J.Clegg的观点[10],基体材料的强度直接影响[4]是一种耐缺陷材料。这种结构可使陶瓷的韧性得到复合材料的断裂韧性值。强度越高,断裂韧性越高。1/2很大改善。以氮化硅为例,断裂韧性达到20MPa·m基体材料增韧后可以提高层状复合材料的断裂性以上,抗弯强度达到600MPa以上,断裂功提高2～3能。基体材料常用的增韧方法有颗粒弥散增韧、纤维[5
5、]个数量级。或晶须增韧、相变增韧等。研究证明,基体材料采用不[61990年W.J.Clegg等人首次试制出了碳化硅/同的增韧方法和材料其增韧效果是不同的(见表1)。表1基体材料对层状陶瓷性能的影响序号单相基体/夹层材料性能多相基体/夹层材料性能抗折强度584MPa抗折强度410MPa1[11]β-SiC/(TiB2+42%B4C)(β-SiC+10%B4C+4%TiO2)/(TiB2+42%B4C)基体硬度4.0MPa基体硬度11.0MPa抗折强度310MPa抗折强度363MPa2[12]Al2O3/BN(Al2O3+ZrO2)/
6、BN-2-2冲击强度68.1kJ.m冲击强度88.6kJ.m·16·全国性建材科技期刊———《陶瓷》2003年第3期总第163期从表1可以看出,序号1试样采用B4C+TiO2弥会使材料的强度有所下降,但冲击韧性大幅度提高。散增韧SiC基体材料时,材料的抗弯强度反而下降。根据目前的研究情况,采用致密弱结合型夹层具有比造成这种情况的原因是所研究的材料的弥散相是一些较好的增韧效果。烧结助剂,烧结后基体材料的密度增高,硬度变大,韧采用强结合型材料时,主要是利用残余应力、材料性降低。序号2的试样采用ZrO2相变增韧Al2O3基体相变等机理进
7、行增韧。例如文献[16]介绍了以ZrO2材料,与层状结构一起起到了协同增韧作用,使材料性为基体材料,以Al2O3为夹层材料的情况。由于高弹能改善。因此,要发挥协同增韧作用,针对不同的基体性模量Al2O3层对基体材料自催化相变的阻挡作用,必须选择合适的增韧材料和结构。当裂纹扩展时,基体材料中裂纹附近的相变区急剧增1.1.2夹层材料的选择原则宽,材料韧性得到大幅度提高。夹层材料是决定层状陶瓷韧性高低的关键。夹层1.1.5纤维及高分子夹层材料材料选择时一般要考虑以下因素:与基体不发生较大此类材料有碳纤维、芳纶纤维,环氧树脂等。纤维化学反
8、应,以免生成不利的脆性产物;热膨胀系数相差织物与聚合物的层状复合材料是一种传统复合材料,不应太大,避免热应力开裂;强度适当,性能稳定,且与技术和理论都比较成熟,但将其作为夹层材料应用于基体结合强度适中,以利于裂纹偏折等。根据A.J.陶瓷增韧时间不长
