陶瓷材料的强度高、硬度大、耐高温、抗氧化,高温下抗磨损好,耐化学腐蚀性优良,热胀系数与密度小,这些优异的材料性能是一般常用金属材料、高分子材料及其它复合材料所不具备的,因此越来越受到人们的重视,并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划。但是,由于陶瓷材料本身的致命弱点——脆性,作结构陶瓷材料使用时就缺乏足够的可靠性,因而改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。
由于陶瓷固有的脆性限制了它的广泛应用,因此,研究陶瓷强韧化问题是陶瓷材料研究的一个重要课题。其中的一个方法是在陶瓷基体材料中加入起增强、增韧作用的第二相从而制成复合材料。由于普通陶瓷材料从广义上讲本身就是复合材料,所以这里所讲的陶瓷基复合材料专指为获得单项陶瓷材料所不具备的性能的人工制造的两相材料(基体相和增强相),例如加入增强相使陶瓷基体材料强韧化等。制备陶瓷基复合材料的主要目的是提高陶瓷的韧性,陶瓷复合材料强韧化的途径有颗粒弥散、纤维(晶须)补强增韧、层状复合增韧、与金属复合增韧及相变增韧等。采用这些方法进行增韧,陶瓷的韧性获得了很大昀提高。不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较。
陶瓷复合材料的分类方法很多。例如,按材料的用途可分为结构陶瓷复合材料和功能陶瓷复合材料,前者用于制造各种承力构件,后者则用于各种特殊性能(如声、光、电、磁、热等)。根据基体材料的种类可分为氧化物基复合材料(如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化硅复合材料等)和非氧化物基复合材料(如碳化硅基、氮化硅基等)。此外,微晶玻璃基复合材料如铝锂硅酸盐微晶玻璃(I。i2 ()-A12()。 -Si()2)、镁铝硅酸盐微晶玻璃( Mg()-A12 ()3 -Si02)等,碳/碳复合材料、水泥基复合材料等也属于按基体材料的不同进行分类的。
根据增强体的形态对陶瓷基复合材料进行分类是重要的一种分类方法。按这种方法,可将陶瓷基复合材料分为颗粒增强陶瓷复合材料、纤维(晶须)增强陶瓷复合材料、片材增强陶瓷复合材料等。其中,根据增强相相对于基体材料的弹性模量,颗粒增强陶瓷复合材料又可分为延性颗粒复合于强基质中陶瓷复合材料和刚性粒子复合于基质中陶瓷复合材料。前者利用塑性变形或沿晶界滑移来缓解应力集中,如Ti\/Ni等,可使韧性显著提高,但强度变化不大,其高温性能下降。后者利用弹性模量和热物理参数的不同,形成残余应力,这种应力场与裂纹尖端相互作用(裂纹偏转、绕道、分岔、钉扎等),产生增韧作用。当增强颗粒尺寸很小的时候(纳米级及几微米),就形成了弥散强化。短纤维或晶须增强可以明显改善陶瓷体的韧性,但强度提高不够显著,模量与基体几乎相当;当加入性能优异的长纤维的时候,除韧性显著提高外,强度和模量都有不同程度的增加。片材增强属于层状复合材料,有以石墨作为碳化硅的夹层材料和以氮化硼作为氮化硅的夹层材料。
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本文“先进陶瓷复合材料概念及分类”由科众陶瓷编辑整理,修订时间:2015-04-10 16:48:02
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