氧化铝陶瓷基复合材料概述

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1、概述了氧化铝陶瓷基复合材料，并且对其一般的生产工艺金属间、氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍，前言氧化铝(Al2O3)陶瓷材料具有耐高温、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。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。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。概述金属间化合物的结构与组成它的两组元不同,具有序的超点阵结构,各组元原子占据点阵

2、的固定位置,最大程度地形成异类原子之间结合。由于其原子的长程有序排列以及金属键和共价健的共存性,有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。在力学性能上,有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。有序金属间化合物中,Ti-Al、Ni-Al、Fe-Al和Nb-Al系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度,密度较小,比强度较高。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,

3、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]。20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(DirectedMetalOx-idation,简称DMOX)。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-A

4、l2O3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。新型陶瓷基复合材料采用熔渗烧结工艺与粉末治金烧结工艺两种方案[4]。烧结与熔铸相结合制备工艺:氧化铝选用粒度为1~2Lm粉体,金属间铝化合物使用铸态切块。烧结分两个阶段,第一阶段保温主要是为了促使氧化铝烧结成泡沫状多孔材料,此时铝化物处于临界熔化状态;第二阶段保温主要是保证铝化物快速熔化,并有好的流动性,以便熔入多孔氧化铝内。使用

5、石墨压块,利用其重力促进熔渗过程。烧结选用多种不同温度的工艺,以便比较不同温度的熔渗效果。粉末治金工艺:采用机械合金化工艺,首先合成铝化物粉体,在球磨机中将铝化物粉末与氧化铝混合,然后热压烧结。采用机械合金化工艺可以合成铝化物,但是固相合成反应不充分,结合煅烧工艺,则可制备出性能稳定的铝化物。煅烧温度不宜太高,太高不仅会造成粉末氧化和晶粒粗大,而且会导致粉末的严重团聚。金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料的研究进展111NiAl系金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料NiAl系金属间化合物主要有5种稳定的二元化合物,即Ni3Al、NiAl、

6、Ni5Al3、Ni2Al3和NiAl3[1]。目前,N-iAl系金属间化合物中研究最多的是Ni3Al。Ni3Al晶体特有的对称性和Ni-Al键与Ni-Ni键的相似性使得键在空间呈均匀分布,这种特点使Ni3Al表现为具有良好的强度,也正是因为Ni-Ni键与Ni-Al键的相似性,在外力作用下原子层发生滑移而保持良好的强度和成键持续性,使Ni3Al具有良好的韧性[2]。因此,Ni3Al在陶瓷中可以起到很好的增韧效果。在Ni3Al增韧Al2O3陶瓷基复合材料的研究中,通过热压烧结得到了高韧性的Ni3Al/Al2O3陶瓷基复合材料。分析认为,Ni3Al

7、中Ni-Ni键与Ni-Al键的相似性和均匀性以及Ni3Al的合金化、晶粒的拔出现象和裂纹的偏转效应是N-iAl/Al2O3陶瓷基复合材料韧性提高的重要原因。]以NiAl为弥散相在1600e下真空烧结制备的NiAl/Al2O3复相陶瓷材料,当NiAl含量约为20%时,其断裂韧度为812MPa#m1/2,比纯Al2O3陶瓷(Kic=4.84MPa#m1/2)的断裂韧度提高了68%。显微结构分析表明,晶粒细化、裂纹偏转、裂纹搭桥、拔出和裂纹扩展方式的改变是NiAl/Al2O3复相陶瓷材料韧提高的主要因素。在应用方面,由于NiAl与Al2O3有较好的

8、适配性能,因此是金属基体与Al2O3涂层的理想材料。而利用等离子喷涂方法制备了NiA-lAl2O3梯度涂层可以得出：当Al2O3的质量分数为80%时涂层的显微硬度最