第27卷第2期硅 酸 盐 通 报Vo.l 27 No .2 2008年4月 BULLETI N OF T HE C H INESE CERA M IC S OC IET Y Apr i,l 2008 连续陶瓷基复合材料的研究现状及发展趋势陈维平,黄 丹,何曾先,王 娟,梁泽钦(华南理工大学机械工程学院,广州 510640)摘要:连续陶瓷基复合材料(C4材料)是近年来出现的一种具有全新复合增强方式的陶瓷/金属复合材料。
在这种复合材料中,基体陶瓷增强相具有三维连通的内部结构,因而起增韧作用的金属填充在陶瓷骨架的空隙中,其在空间上也是三维连通的。
实现这种复合结构需要不同于传统的复合材料成型与制备技术。
这种复合结构使得连续陶瓷基复合材料能够将陶瓷与金属各自的性能特点与优点更多的保留在最终的复合材料中;同时,还表现出了与传统复合材料(颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料等)不同的性能特性,具有广泛的应用前景。
关键词:连续陶瓷基复合材料;C4材料;三维连通中图分类号:TQ174.758.2 文献标识码:A 文章编号:100121625(2008)022*******R esearch and Developm en t Per spective of C o 2con ti nuousC era m ic C o m positesC HE N Wei 2ping,H U A NG Dan,HE Ce ng 2xian,W A NG Juan,LIA NG Z e 2qin(School ofM echan icalE ngi neeri ng ,Sou t h Ch i na Un i versit y ofT echndogy ,Guangzhou 510640,Ch i na)Abstr act :Co 2conti n uous cera m ic co mposites (C4materials )are a ne w class of cera m ic /meta lco mposites w it h ne w ly rei n f orce men t manner ,where the reinf orc i n g cera m ic phase ,as t h e base of theco mposite ,is characterized as the t h ree 2di m ensional i n terpenetrati n g str ucture ;and the m etallic phase isfilled i n t h e i n terspaces of the cera m ic net w or k,as the ductile phase of the co mposite .So me untraditi o na lf or m i ng and fabricating technol o gies f or the co mposites are required due to the spec i a l co 2conti n uousi n ter nal structure .The i n terna l structure of i n ter penetrati o n deter m i n es co 2conti n uous cera m ic co mpositescan retain more f eatures and advantages of cera m ic and meta l respectively in the fi n al co mposite ,andalso ,perf o r m the diff erent characteristics f ro m the traditi o na l co mposites (such as particle re i n f orcedco mposites and fi b er reinf orced co mposites)so that this class of co mposites gain the extensive app li c ationperspectives .K ey w ord s :co 2continuous cera m ic co mposite ;C4m aterials ;three 2di m ensional i n terpenetrating基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575076);广东省自然科学基金重点资助项目(粤科基办[2003]07号);教育部博士点基金资助项目(20040510107)作者简介:陈维平(19502),男,教授,博士生导师.主要从事高性能金属/陶瓷复合材料的研究.E 2m a i :l m e wpchen@sc u t .edu .cn1 连续陶瓷基复合材料连续陶瓷基复合材料(co 2continuous cera m ic co mposites),简称为C4材料,指的是陶瓷增强体具有三维连通骨架结构的陶瓷基复合材料。
这种三维网络陶瓷(骨架)/铝合金复合材料由美国俄亥俄州大学的研究人员Bresli n 等发现,他们将这种复合类型的新材料称为连续陶瓷复合材料(co 2continuous cera m ic308综合评述硅酸盐通报第27卷co mposite),简称C4。
美国俄亥俄州Excera材料集团开发研制的陶瓷/金属复合材料,用于生产防弹装甲板、磨具及用于处理熔融金属用的容器等。
这种陶瓷/金属复合材料的密度是钢材密度的一半,却比钢坚硬,强度相当于铸造铝合金,断裂韧性相当于铸铁,热膨胀系数比钢低30%,还具有非常高的耐磨性和高的热导率[1]。
据介绍,美国最新研制的多孔碳化硼/铝复合材料,其中碳化硼的体积分数达到60~80%。
这种材料不仅具有良好的静力学性能,而且具有高的抗冲击和打击能力,但生产成本过高(>40美元/kg),且制备方法也没有公开报道。
目前,正在研究其它陶瓷骨架材料及其与轻金属的复合技术,以使材料性能更高,且成本降低[2]。
从材料组元(相)的空间拓扑分布型式上看,根据增强体空间拓扑分布型式分类,目前主要有3种类型的增强方式:颗粒增强(零维)、晶须(短纤维)增强和连续长纤维增强(一维)和片状增强(二维)。
虽然后两者的增强效果要优于弥散颗粒增强,但其轴向(平行于纤维方向或片层方向)与横向(垂直于纤维方向或片层方向)增强效果相差悬殊,目前尚未能解决其各向异性这一技术难点。
C4材料的内部三维空间上2种材料相均连续分布的特点,引起了国内外学者的广泛关注。
2制备方法目前,这种三维双连续复合材料的制备方法可分为两大类:(1)制造孔隙连通的预制体,然后进行浸渗并凝固成型;(2)化学反应直接合成微结构连接的复合材料。
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[3]。
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)、陶瓷粉末烧结等方法,形成陶瓷骨架的空间结构,然后浸渍合金[4216]。
2.1预制体浸渗成型法由于C4材料要求材料中的2种物质相均具有空间上三维连通的内部网络结构,很自然地考虑到可以利用具有三维连通的开孔的多孔陶瓷网络作为基体,然后在多孔陶瓷的孔隙中加入金属相,从而获得最终的C4材料。
2.1.1多孔陶瓷预制体的成型与制备多孔陶瓷材料是由连续的固相骨架和孔隙构成的,其发展历史已有三十多年。
制备多孔陶瓷的方法主要有粉末烧结法、浆料固结法、有机泡沫浸浆法、溶胶2凝胶法等,这些方法工艺是较成熟,并且使用得较多的制备技术;而微波加热工艺、颗粒堆积工艺、水热2热静压工艺、玻璃分相腐蚀工艺、注凝成型工艺、凝胶铸造工艺、模板添隙工艺等则是近年来发展起来的新的制备技术[17,18]。
目前应用最广泛的多孔陶瓷制备工艺是有机泡沫浸浆技术,所得产品为网状陶瓷多孔材料,其典型形貌见图1[19]。
近来又大力推出了浆料或溶液的发泡技术,其所用起泡剂可以是挥发性液体或固体,也可以是混合料反应产生的气体或加入的气体,也可以是可燃烧的粒子。
发泡法制备的典型陶瓷体形貌见图2所示[20]。
其他的制备方法还有泡沫碳骨架上各种难溶材料的化学气相沉积、中空球烧结、Si O气相反应和碳预形成体的硅化等。
孔隙尺寸则具有较大的变化范围,从溶胶2凝胶法的几个纳米,一直到有机泡沫浸浆法可达到的几个毫米。
第2期陈维平等:连续陶瓷基复合材料的研究现状及发展趋势3092.1.2浸渗制备C4复合材料如果将多孔陶瓷预制体看作是铸造工件的型芯,这种浸渗也可以认为是一种铸造,即熔融金属液填充到多孔陶瓷的孔隙中,然后逐渐凝固成型。
由于高温的作用,可能在金属与陶瓷的界面上会发生各种化学反应,也可能仅有溶解扩散现象,甚至仅是界面的机械结合。
最终俄亥俄大学Breslin等所设计的制备方法即是一种反应浸渗法。
现在,通过利用挤压铸造技术,可以进行非反应挤压浸渗制备C4材料。
根据Dachn等[1]的报道,先驱体陶瓷的反应浸渗(如:通过二氧化硅在液相的铝中的反应生成氧化铝2铝复合材料)是一种生产陶瓷和金属两相均交织连通的复合材料的低成本和通用的方法。
通过控制先驱体的成分和微观结构,以及反应池中的组分,可以获得可控的材料结构和性能。
Excera材料集团已经大力发展了类似材料的制造工艺,其产量已达到数吨。
然而,该种工艺仍不能实现大批量生产。
意大利学者La vecchia 等[21]利用近似的所谓液相置换反应法制备了双连续63%A l2O3/37%A l(Si)复合材料,即C4材料。
该种制备方法通过将二氧化硅棒浸没在金属熔池中并发生反应来制备最终的C4材料。
其制备装置示意图见图3。
获得的C4材料微观组织形貌见图4。
置换反应方程:3Si O2+4A l=2A l2O3+3Si德国学者Pr i e li p p等[14]采用真空压力浸渗法,在自行研制的装置上制备了具有内连通结构的A l/A l2O3复合材料,孔隙率约1%,陶瓷体体积分数达75%甚至更高。
其陶瓷体采用反应烧结法制备。
实验结果表明,陶瓷预制体中的孔隙形貌为略有变形的颗粒堆积空隙,尺寸在0.08~1L m之间。
这种细观结构导致了在陶瓷/金属界面上生成了大量的界面反应过渡带。
在所制备的材料中,最佳材料静力学性能可以达到:断裂韧性10.5MPa m1/2;断裂强度810MPa。
但是,复合材料的增强机制仍以桥接效应为主,与颗粒增强复合材料类似。