金属陶瓷复合材料_金属复合陶瓷

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金属陶瓷复合材料

何洋

(材料科学与工程一班 200911102016)

摘要

本文从复合材料入手介绍Al/Al2O3 陶瓷基复合材料，定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料，Al/Al2O3陶瓷基复合材料的低温烧结，金属陶瓷材料的应用以及研究现状、前景。

Abstract

The article introduces composite material of Al/Al2O3 ceramic matrix composites，directional metal oxidation method for Al/Al2O3 ceramic matrix composites，Al/Al2O3 ceramic matrix composites，low temperature sintering，metal，ceramic materials application and research status，prospects。

关键词

复合材料；Al/Al2O3 ；定向金属氧化法；低温烧结；应用；前景

Key words composite materials； Al/Al2O3； directed metal oxidation； low temperature sintering； application； prospects

复合材料(Composite materials)

由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

氧化铝(Al2O3)陶瓷

先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3 陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、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：可用于切削刀具、磨环、模具；是理想的集成电路基板材料；还可用作催化剂载体、热交换管、阀门、化学泵等。

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。改善氧化铝陶瓷材料脆性的方法很多，如提高材料的密度、纯度、晶体完整性，以及改变晶形、晶粒尺寸、晶界状况等，或通过微裂纹韧化、ZrO2 相变增韧、颗粒弥散、纤维增韧方法等[1]。其中，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，其制备工艺主要有烧结[2]、熔体浸渍[3]、定向金化法[4] 3 种。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，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]。

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(Directed Metal Oxidation，简称DMOX)[8]。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α-Al2O3 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。

Mg、Si 合金成分的影响

众所周知，在空气环境下金属铝液极容易氧化而在其表面生成一层氧化铝钝化膜，阻止了铝液与氧的进一步反应，如果要使金属铝能够持续氧化，必须引入合金成分来破坏该钝化膜，提高金属铝液与氧化铝之间的润湿程度。A。Banerji[9]推测，这些起改善润湿作用的合金成分可能降低液体表面张力或固液界面能，促进固液界面反应。

尽管在材料制备过程中，不添加金属硅的铝合金熔液也能出现定向氧化生长[9]，但铝合金熔液具有一定粘度，研究发现ⅣA 族的Si、Ge、Sn、Pb 可以改善其对陶瓷材料的润湿性，目前广泛采用的是Si[4]。在反应过程中，大部分Si 残留在母合金残骸中，少量的Si 均匀分布在整个反应产物内部，这与金属Mg 主要富集在金属通道中的分布不同[10]。虽然金属硅的引入改变了反应速度[11]，但其含量增加导致产物内部气孔率和金属铝含量也显著增加[12]。总的来说，金属硅在定向氧化法制备Al/Al2O3 材料的可能作用机理主要集中在如下几个方面：(1)降低熔液与氧化物的润湿角，提高液相的润湿程度，对于Al2Mg 合金来说，尤其降低了其表面张力[1

3，14]

；(2)影响氧在液相中的传输[10] ；(3)控制镁的活，度并促进反应前沿的氧化镁和镁铝尖晶石溶解转化[15

温度与气氛的影响]。

热处理温度影响着定向氧化制备Al/ Al2O3 材料的生长速率和反应阶段。通过表面和断口的观察将反应按温度分为4 个阶段：(1)合金被加热熔化到900 ℃时，表面迅速氧化成MgO 覆盖的尖晶石层；(2)继续加热到1100～1300 ℃，内部扩散与渗透加剧，双层变厚；(3)金属通过微观管道传输到反应前沿，Al2O3 / Al 成核；(4)小的Al/Al2O3 复合材料核生长并聚集形成大的生长前沿面，整个过程Al/ Al2O3 始终被MgO 层覆盖。此外，温度也影响着Al2Mg2O三元系统的平衡镁含量[17] 和镁蒸气压[16]，如随着处理温度的升高，Al2Mg2Al2O3 的平衡镁含量增加，而镁蒸气压与温度的指数成正比。

处理气氛对合金定向氧化生长的影响也不容忽视。在反应初期，随着氧压的增加，质量增加速率明显，反应后期氧压的增加则对质量增加速率影响不大[16]。Zn23。1 %Cu21。1Fe %20。25 %Mg 时，增重变化不明显。

预形体的影响

预形体的存在从多方面影响着定向氧化法制备Al/ Al2O3材料，如生长速度、显微结构等。研究表明，采用Al2O3 预形体能扩大反应面积，提高生长速度，如Al2Zn合金在预形体存在的条件下，生长速度是向自由空间生长的4 倍多[18]。在某些反应前沿，预形体也限制了局部氧气的供给，导致该区域氧被消耗殆尽，最终生成AlN 而不是Al2O3[19]。此外，Al2O3 与试样中的Mg 或MgO 反应易形成镁铝尖晶石，从而对Al2O3 预形体造成损伤，一种良好的解决办法是在Al2O3 表面包覆一层惰性物质来阻止它们的直接接触[20]。

Al/Al2O3陶瓷低温烧结

Al2O3 陶瓷材料的脆性本质[21]严重制约了其在工程结构材料等领域内的应用。近年来，采用复合材料技术，对基体材料进行增韧补强

[22]，已开发出一系列性能优良的陶瓷基复合材料。Al/Al2O3 陶瓷基复合材料是一种新型的有代表性的Al2O3基复合材料，在机械耐磨件、化工耐腐蚀件等的应用领域内有十分重要的应用价值。烧结是陶瓷材料及陶瓷基复合材料制造过程中最重要的环节。烧结温度的合理选择直接关系到材料制成品的质量及制造成本。在满足制成品质量要求的前提下，降低烧结温度能显著地减少设备投资，提高生产效率，降低生产成本。本文在合理选择成分的前提下，选择不同的温度，用对比实验法结合理论分析，确定Al/Al2O3 陶瓷基复合材料最佳的烧结温度。

烧结温度与Al/Al2O3 陶瓷基复合材料力学性

能的关系(空气中烧结，保温3h)

Al/Al2O3 陶瓷基复合材料X 射线衍射图样(空气中烧结，1000℃保温3h)选择合适的助烧剂，利用助烧剂及其与基体Al2O3 反应产物具有较低的熔融温度，采用液相烧结工艺，通过助烧剂及其反应产物的粘滞流动过程，低温烧结制造Al/Al2O3 陶瓷基复合材料是完全可行的。

1000℃时材料的性能值最佳，优化选择1000℃作为Al/Al2O3 陶瓷基复合材料的烧结温度是合理的。在此条件下，该材料的部分物理、力学性能值如下： 相对密度为85%，冲击韧性为10J/cm2，硬度为89HRA。

Al/Al2O3陶瓷基复合材料的应用及前景

防弹领域的应用

陶瓷作为装甲材料具有诸多优点：具有极高的硬度和抗压强度，有利于抵御高速穿甲弹的侵蚀；密度小，约为均质装甲钢的1／4～1／2，有利于装甲重量的减轻；耐热性好，在高温下可以保持形状尺寸不变，能够抵御高温射流的侵蚀。然而，陶瓷材料也存在诸多缺点，如塑性差、断裂强度低且易产生脆性断裂、成 型尺寸较小等。这些不足使陶瓷至今仍然不能作为均质装甲单独使用，它在装甲中的应用形式通常是与装甲钢、铝合金、纤维增强树脂基复合材料等构成复合装甲，应用的原则是首先利用陶瓷的硬度使弹丸受挫、毁坏，再利用金属或纤维增强材料的韧性充分吸收弹丸及陶瓷碎片的剩余能量。根据以上原则，目前陶瓷与金属的复合装甲主要有3种应用形式，如图所示。

我国有各种金属切削、铣削机床约300万台，根据国家有关部门统计，全国在统计的37家刀具生产厂家，硬质合金刀具年生产量约7000t，其中可转位刀具占50 %，折合刀片约计3。5 亿片；不在国家统计的约计2 亿～2。5 亿片； 另据统计，国内年进口陶瓷刀具约300 万片。铝化物/ 氧化铝陶瓷基复合材料刀具，性能优良，成本低廉(若规模化生产后，制造成本可降低到4～5 元/ 片，与硬

质合金刀具持平)，而使用寿命可达硬质合金刀具的4 倍。如替代硬质合金刀片的28 %～30 %，即可形成年需3500 万～4500 万片的市场。除作为陶瓷刀具材料外，这种复合材料有望用于制造轴承、金属部件热处理的支承件，以及在化

工方面的许多应用场合： 球阀、泵体、密封环、过滤器以及固定化触媒载体、燃烧舟、蒸发皿等。

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2006 年6 月第20 卷第6 期

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