概述了氧化铝陶瓷基复合材料，并且对其一般的生产工艺金属间、氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍，前言氧化铝(Al2O3) 陶瓷材料具有耐高温、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。
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。
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。
概述金属间化合物的结构与组成它的两组元不同, 具有序的超点阵结构, 各组元原子占据点阵的固定位置, 最大程度地形成异类原子之间结合。
由于其原子的长程有序排列以及金属键和共价健的共存性, 有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。
在力学性能上, 有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。
有序金属间化合物中, Ti - Al、Ni - Al、Fe - Al 和Nb-Al系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。
这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度, 密度较小, 比强度较高。
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]。
20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( DirectedMetal Ox-idation, 简称DMOX)。
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-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。
新型陶瓷基复合材料采用熔渗烧结工艺与粉末治金烧结工艺两种方案[ 4]。
烧结与熔铸相结合制备工艺: 氧化铝选用粒度为1~ 2Lm粉体, 金属间铝化合物使用铸态切块。
烧结分两个阶段, 第一阶段保温主要是为了促使氧化铝烧结成泡沫状多孔材料, 此时铝化物处于临界熔化状态; 第二阶段保温主要是保证铝化物快速熔化, 并有好的流动性, 以便熔入多孔氧化铝内。
使用石墨压块, 利用其重力促进熔渗过程。
烧结选用多种不同温度的工艺, 以便比较不同温度的熔渗效果。
粉末治金工艺: 采用机械合金化工艺, 首先合成铝化物粉体, 在球磨机中将铝化物粉末与氧化铝混合, 然后热压烧结。
采用机械合金化工艺可以合成铝化物, 但是固相合成反应不充分, 结合煅烧工艺,则可制备出性能稳定的铝化物。
煅烧温度不宜太高, 太高不仅会造成粉末氧化和晶粒粗大, 而且会导致粉末的严重团聚。
金属间化合物/ Al2O3 陶瓷基复合材料的研究进展111 Ni Al 系金属间化合物/ Al2O3 陶瓷基复合材料Ni Al 系金属间化合物主要有5种稳定的二元化合物, 即Ni3Al、NiAl、Ni5Al3、Ni2Al3 和NiAl3[ 1]。
目前, N-i Al 系金属间化合物中研究最多的是Ni3Al。
Ni3Al 晶体特有的对称性和Ni- Al 键与Ni- Ni 键的相似性使得键在空间呈均匀分布,这种特点使Ni3Al 表现为具有良好的强度, 也正是因为Ni-Ni 键与Ni- Al 键的相似性, 在外力作用下原子层发生滑移而保持良好的强度和成键持续性, 使Ni3Al 具有良好的韧性[ 2]。
因此, Ni3Al 在陶瓷中可以起到很好的增韧效果。
在Ni3Al 增韧Al2O3 陶瓷基复合材料的研究中,通过热压烧结得到了高韧性的Ni3Al/ Al2O3 陶瓷基复合材料。
分析认为, Ni3Al 中Ni- Ni 键与Ni- Al 键的相似性和均匀性以及Ni3Al 的合金化、晶粒的拔出现象和裂纹的偏转效应是N-i Al/ Al2O3 陶瓷基复合材料韧性提高的重要原因。
]以NiAl 为弥散相在1600e 下真空烧结制备的NiAl/ Al2O3 复相陶瓷材料, 当NiAl 含量约为20%时, 其断裂韧度为812MPa#m1/ 2, 比纯Al2O3 陶瓷( Kic= 4.84MPa#m1/ 2) 的断裂韧度提高了68%。
显微结构分析表明, 晶粒细化、裂纹偏转、裂纹搭桥、拔出和裂纹扩展方式的改变是NiAl/Al2O3 复相陶瓷材料韧提高的主要因素。
在应用方面, 由于NiAl 与Al2O3 有较好的适配性能, 因此是金属基体与Al2O3 涂层的理想材料。
而利用等离子喷涂方法制备了NiA-lAl2O3 梯度涂层可以得出：当Al2O3 的质量分数为80%时涂层的显微硬度最高, 涂层成分的梯度化有利于涂层的结合强度和抗热震性能的提高。
Si -Mo 及其他金属间化合物/Al2O3 陶瓷基复合材料211 Si -Mo金属间化合物/ Al2O3 陶瓷基复合材料S-i Mo金属间化合物包括MoSi2、Mo5Si3 和Mo3Si。
由于S-i Mo金属间化合物在BDT温度( 脆性转化为韧性的温度) 以上是一种韧相, 它们可以对脆性陶瓷产生韧化作用。
MoSi2 在几乎所有的结构陶瓷中( 如: SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiB2、TiC等) 是热力学稳定的, 同时Al2O3 与MoSi2 的热膨胀系数十分相近, 在MoSi2 增强Al2O3 基复合材料中, 不会产生热应力裂纹。
作为其极为重要的应用方面, Anne-LaureDumont 等人结合流延积层, 利用SHS烧结工艺成功地制备了MoSi2/Al2O3 功能梯度电阻材料。
当MoSi2 的含量从20%增加到40%( 体积分数) 时, 材料的室温电阻率也从1.5*10^8欧cm减小到0,38欧cm。
并指出,在SHS过程中当各层的厚度大于500um、加压3MPa时, 就可以明显地减少材料的孔隙率, 通过控制在SHS反应中形成的液相数量( 反应生成物Al2O3 和MoSi2 均有稀释燃烧反应的作用) 来实现层状结构, 当每层中液相的数量大于35%( 体积分数) 时, 就可以制备出铝含量从21%到81%( 体积分数) 的梯度复合材料。
212 其他金属间化合物/ Al2O3 陶瓷基复合材料为了解决一些实际的应用问题, 许多学者在其他金属间化合物Al2O3 陶瓷复合材料方面也做了一些研究。
程广萍等[ 15]采用自蔓延-离心工艺制备出Fe2Ti 金属间化合物/ Al2O3 陶瓷内衬复合钢管。
对内衬的显微组织及物相组成进行了分析。
结果表明, 内衬主要由大小不均的颗粒状或团聚状金属间化合物Fe2Ti、规则块状Al2O3 陶瓷以及一定数量的自蔓延反应不完全产物Ti3O5 构成。
衬层内壁有一以Al2O3、FeO#Al2O3 为主的陶瓷薄层。
与相同工艺制备的Al2O3 陶瓷内衬相比, 它在保持较高硬度的同时具备了一定的韧性。
张春光等[ 16]通过金属间化合物N-i Ti 焊料, 利用部分液相瞬间连接工艺, 实现了高纯Al2O3 瓷和可伐合金的气密性连接。
研究表明, N-i Ti 焊料会在焊缝中间形成一条Ti 固熔体带, 起到柔性缓冲层的作用; 连接强度随着保温时间的延长逐渐提高, 到达一定程度后减缓;连接强度并不随着焊接温度的上升而单调上升, 接头性能随温度的上升波动较大, 焊接适用温度范围比较窄2 应用随着科学技术的发展及制造技术的提高, 氧化铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得到越来越广泛的应用。
1)机械方面。
有耐磨氧化铝陶瓷衬砖、衬板、衬片, 氧化铝陶瓷钉, 陶瓷密封件( 氧化铝陶瓷球阀) , 黑色氧化铝陶瓷切削刀具, 红色氧化铝陶瓷柱塞等。
（有图）2) 电子、电力方面。
有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件, 电子材料, 磁性材料等。
3) 化工方面。
有氧化铝陶瓷化工填料球, 氧化铝陶瓷微滤膜, 氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。
4) 医学方面。
有氧化铝陶瓷人工骨, 羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节等。
5) 建筑卫生陶瓷方面。
球磨机用氧化铝陶瓷衬砖、微晶耐磨氧化铝球石的应用已十分普及, 氧化铝陶瓷辊棒、氧化铝陶瓷保护管及各种氧化铝质、氧化铝结合其他材质耐火材料的应用随处可见。
6) 其他方面。
各种复合、改性的氧化铝陶瓷如碳纤维增强氧化铝陶瓷, 氧化锆增强氧化铝陶瓷等各种增韧氧化铝陶瓷越来越多地应用于高科技领域; 氧化铝陶瓷磨料、高级抛光膏在机械、珠宝加工行业起到越来越重要的作用; 此外氧化铝陶瓷研磨介质在涂料、油漆、化妆品、食品、制药等行业的原材料粉磨和加工方面应用也越来越广泛何柏林, 熊光耀, 缪燕平，金属间化合物/ Al2O3 陶瓷基复合材料的研究进展，粉末冶金工业POWDERMETALLURGYINDUSTRY，第18卷第3期2008年6月金胜利, 李亚伟，定向金属氧化法制备Al/Al2O3 陶瓷基复合材料研究现状，材料导报，2006年6月第20卷第6期张孟杰范润华，新型氧化铝陶瓷基复合材料的制备和应用，化工新型材料NEWCHEMICAL MATERIALS 第30卷第8期2002年8月潘冶张传张衍成孙国雄，氧化铝陶瓷基复合材料的制备与微观组织，复合材料特种铸造及有色合金2005年第25卷第6期朱志斌郭志军刘英，氧化铝陶瓷的发展与应用，全国性建材科技期刊陶瓷2003年第1期总第161期雷杨俊, 肖定全，锰铬体掺杂对氧化铝陶瓷绝缘子性能的影响，硅酸盐学报JOURNAL OFTHECHINESECERAMICSOCIETY 2005年7月第33卷第7期。