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连续陶瓷基复合材料制备方法介绍
2019年02月16日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:2389
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连续陶瓷基复合材料是具有特殊增强类型的新型陶瓷/金属复合材料,其特点是复合材料内部网络陶瓷增强相和金属基体连续相之间相互贯穿、相互渗透、相互支撑,因而在三维空间内部没有孤立的相,每个独立的组成相都能够在三维空间内充分发挥该组分对复合材料整体的强化作用,表现出正向加合特性,使得复合材料兼具陶瓷相低的膨胀系数、高的强度、良好的耐磨性、耐热性和耐蚀性以及金属相良好的导电、导热及优异的塑韧性等特性。因而,在高速摩擦制动用材料(尤其在高温、高速、重载等特殊工况下)、电子封装、大功率LED散热片、装甲车的防弹面板材料、航空航天及仪器仪表材料等领域具有广阔的应用前景。

1  连续陶瓷基复合材料应用于航空发动机


一、连续陶瓷基复合材料的性能特征

连续陶瓷基复合材料具有与传统复合材料完全不同的空间拓扑结构型式,即:增强体(陶瓷)在三维空间连续(连通),基体(金属)也在三维空间连续,增强体(陶瓷)与基体(金属)在空间呈交织网络结构。其显著的优点或特点:

1)陶瓷相含量高:三维空间连续使得复合材料可以容纳更高体积分数的陶瓷相。

2)承载能力或抗冲击能力高:在受力时,有利于将集中在点或面上的应力迅速在空间体范围内分散和传递,因而可以大幅度地提高复合材料的承载能力或抗冲击能力。

3)抗磨性能优异:高硬度的陶瓷相三维连续分布,在摩擦表面上形成硬的微突体并起到承载作用,抑制了基体合金的塑性变形和高温软化,使得复合材料的抗磨性能大大提高。

4)复合材料增韧效果显著:由于基体在三维空间连续,使得对复合材料的整体增韧效果大幅度的增强。

5)损伤容限高:三维双连续的结构能引起结构互锁的效应,使得材料具有更高的损伤容限,材料失效的危险性大大降低。


二、连续陶瓷基复合材料制备方法

连续陶瓷基复合材料制备方法可分为两大类:一是制造孔隙连通的多孔陶瓷预制体,然后进行浸渗并凝固成型。二是化学反应直接合成微结构连接的复合材料。 二者区别是前者广泛适用于金属、陶瓷或聚合物体系;而后者仅适用于少数材料。其中,陶瓷预制体的成型与制备的技术方案基本上是沿用传统的功能多孔陶瓷制备成型方法,如海绵预制体挂浆成型(先驱体法)、陶瓷泡沫成型(开孔)、陶瓷粉体烧结等方法,形成陶瓷骨架的空间结构,然后浸渍合金。

 

2  连续SiC陶瓷基复合材料


常见的连续陶瓷基复合材料制备技术主要有原位反应法、挤压铸造法、熔体浸渗法等。

1、原位反应法

原位反应法是连续相陶瓷基复合材料组成相的一部分或全部在浸渍过程中由液态金属熔融液与增强相发生原位反应或自身分解生成,其特点是反应生成相与复合材料其他相的相容性很好,界面结合稳定。通常,复合材料的原位制备技术主要包括直接金属氧化法和置换法。

1)直接金属氧化法

直接金属氧化法的特点是熔融金属浸渗预制件和金属的氧化同时进行,例如研究者将Al2O3多孔陶瓷预制件放在熔融金属(如铝)上面,用氧气或空气使金属发生氧化。氧化的结果是在预制件中生成陶瓷/金属基体,从而制成致密的陶瓷/金属复合材料。

2)置换法

置换法是指预制件陶瓷与熔融金属在浸渗过程中发生置换反应,生成陶瓷/金属复合材料。通过SiO2陶瓷预制件与Al熔融之间的反应生成Al2O3/双连续相复合材料。反应式如下:

3SiO2+4Al=2Al2O3+3Si


3  Al2O3/双连续相复合材料SEM图


2、挤压铸造法

挤压铸造法是将流动性较好的熔融金属液强行压入陶瓷预制件孔隙的一种方法。由于是在外加压力的作用下实现浸渗,因而对模具的要求较高,加上很难 形成惰性保护气氛,金属熔融液容易氧化或氮化,结果会导致浸渗后复合材料致密度较低,界面结合较弱,因此,工艺的可控性较差。目前国内中科院沈阳金属研究所张劲松教授课题组采用挤压铸造方法制备出了三维网络SiC陶瓷/Cu基复合材料。

3、熔体浸渗法

熔体浸渗法主要包括无压浸渗和真空压力浸渗两种方法。

1)无压浸渗法

无压浸渗法工艺最显著的特点是浸渗过程中无需施加额外的压力,浸渗过程的驱动力主要是依靠金属熔体在多孔陶瓷预制件内的毛细现象,且在毛细管力的作用下熔融金属在陶瓷预制件孔隙中不断地攀升、填充来实现复合材料的制备。这种方法主要受到金属合金成分、浸渗温度、浸渗时间和浸渗气氛等因素的影响。

2)真空压力浸渗法

真空压力浸渗法一般是采用不与金属熔融液反应的高压惰性气体将熔融金属液压入事先抽成真空的陶瓷预制件孔隙中,在内外压力差的作用下凝固生成复合材料的方法。这种方法制备的复合材料界面结合紧密,浸渗效果明显,但是由于制备过程是在高压和真空的环境下进行的,因而对浸渗模具的材质、气密性、尺寸等要求极为严格。此外,该方法还受到浸渗温度、浸渗压力、浸渗时间等因素的影响。

国内,东北大学茹红强教授课题组采用真空-气压浇铸法成功制备了三维网络SiC陶瓷/20Cr基、钢铁基、铜基及铝基等不同金属基的连续相陶瓷基复合材料;北京航空材料研究院崔岩课题组采用无压浸渗工艺成功制备了三维网络SiC陶瓷/ Al基复合材料。

  

4  三维网络多孔SiC陶瓷SEM图(左)、三维网络SiC陶瓷/ Al基复合材料SEM图(右)


参考文献:1、江国健,肖清,彭伟等,徐家跃三维网络多孔陶瓷/金属复合材料的研究新进展,极速5分快三陶瓷学报。

2、王志,何兆晶,李宏林等,熔体浸渗法制备镁/氧化铝复合材料,材料导报。

3、刑宏伟,曹小明,胡宛平等,三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织,材料研究学报。

 

作者:乐心

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