陶瓷基复合材料制备方法

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1、陶瓷基复合材料沈卫平一、陶瓷基复合材料概述特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整体陶瓷材料提高，但力–位移曲线形状不发生变化；而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高，而且还改变了力–位移曲线的形状（图10-1）。纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。图10–1陶瓷基复合材料的力–位移曲线表10–1不同金属、

2、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧相变增韧AlB2BOB3BSiCAlB2BOB3B/TiCSiB3BNB4B/TiCZrOB2B/MgOZrOB2B/YB2BOB3BZrOB2B/AlB2BO3B断裂韧性MPa/mP1/2P2.7~4.24.5~6.04.2~4.54.59~126~96.5~15裂纹尺寸大小,m1.3~3641~7436~4141165~29274~16586~459表10–1不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料晶须增韧纤维增韧SiC/Al2O3SiC/硼硅玻璃SiC/锂铝硅玻璃铝钢断裂韧性M

3、Pa/mP1/2P8~1015~2515~2533~4444~66裂纹尺寸大小,m131~204二、陶瓷基复合材料的制备工艺1、粉末冶金法原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）冷压成形（热压）烧结。关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。二、陶瓷基复合材料的制备工艺2、浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，采用了浆体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状，即在浆体中呈弥散分布。这可通过调整水溶液的pH值来实现。对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性。弥

4、散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料（图10-2）。采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维分布均匀，气孔率低。图10–2浆体法制备陶瓷基复合材料示意图3、反应烧结法（图10-3）用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：增强剂的体积比可以相当大；可用多种连续纤维预制体；大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。图10–3反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程4、液态浸渍法（图10-4

5、）用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。假如预制体中的孔隙呈一束束有规则间隔的平行通道，则可用Poisseuiue方程计算出浸渍高度h：h=（rtcos）/2式中r是圆柱型孔隙管道半径；t是时间；是浸渍剂的表面能；是接触角；是粘度。图10-4液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图5、直接氧化法（图10-5）按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面上以阻止基体材料的生长。熔化的金属在氧

6、气的作用下发生直接氧化反应形成所需的反应产物。由于在氧化产物中的空隙管道的液吸作用，熔化金属会连续不断地供给到生长前沿。Al+空气Al2O3Al+氮气AlN图10-5直接氧化法制备陶瓷基复合材料示意图6、溶胶–凝胶（Sol–Gel）法（图10-6）溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径100nm）的悬浮液；凝胶（Gel）是水分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。Sol–Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量

7、级水平。Sol–Gel法制备SiO2陶瓷原理如下：Si(OR)4+4H2OSi(OH)4+4ROHSi(OH)4SiO2+2H2O使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然后压制烧结形成相应的复合材料。图10-6溶胶–凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图6、溶胶–凝胶（Sol–Gel）法溶胶–凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体（图10-7）。溶胶–凝胶法的优点是基体成分容易控制，复合材料的均匀性好，加工温度较低。其缺点是所制的复合材料收缩率大，导致基体经

8、常发生开裂。图10-7溶胶–凝胶法制备纤维陶瓷基复合材料示意图7、化学气相浸渍（