材料学术前沿讲座

关于陶瓷复合材料和新材料的研究现状和发展趋势摘要：本文阐述了陶瓷基复合材料的现状和发展趋势，主要内容有:陶瓷基复合材抖的发展和应用前景；纤维材料,多种陶瓷基体材料的韧化研究;陶瓷基复合材抖的制备加工技术;陶瓷增韧的力学机理和材料结构性能的研究情况；陶瓷基复合材料的进一步发展。同时对新材料及其各种加工工艺进行了综述性分析，具体为：纳米技术与纳米材料；成形加工与定向凝固；快速凝固技术和材料；晶体生长技术；金属基复合材料制备技术；生物复合涂层制备技术；先进材料制备加工技术发展趋势。Abstract:Thispaperexpoundsthepresentsituationanddevelopmenttrendofceramicmatrixcomposites.Themaincontentsofthepaperincludes:Thedevelopmentandtheapplicationoftheceramicmatrixcompositematerial;Fibermaterials,Thevarietyoftougheningceramicmatrixmaterialsresearch;Thepreparationofceramicmatrixcompositetechnology;Themechanismoftheceramictougheningandthepropertyofthematerial;Thefurtherdevelopmentofceramicmatrixcomposites.Meanwhile,thesummarizedanalysisofthenewmaterialsandtheirprocessingtechnology.Thedetailsareasfollows:Thenanotechnologyandthenanomaterials;Themoldingprocessingandthedirectionalsolidification;Therapidsolidificationtechniquesandmaterials;Thecrystalgrowthtechnique;Thepreparationofthemetalmatrixcomposites;Thebiologicalcompositecoatingpreparationtechnology;Thedevelopingtrendofthepreparationprocessingtechnologyoftheadvancedmaterials.1、陶瓷复合材料1.1陶瓷复合材料概况陶瓷基复合材料(CMC),一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。与常规材料和非陶瓷复合材料相比,陶瓷材料有耐高温、抗腐蚀、超硬度等优点.因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高衣术新材料而给以重点研究和发展,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,出现了陶瓷热。然而,常规结构陶瓷还存在缺陷和问题,主要是材料脆性,可靠性不高等,应用于陶瓷发动机结构还有一些技术间题,急待研究解决。陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于它可改善陶瓷基体材料的力学性能,特别是脆性,因此,陶瓷基复合材料的发展和研究将成为大规模陶瓷热机研究计划取得成功的关键。1.2陶瓷复合材料分类陶瓷复合材料的组分可分为增强体和基体两部分。增强体研究主要是高性能纤维和晶须的研制,这是各种陶瓷基复合材料发展的基础条件。按照陶瓷材料的增韧可以分为碳化物陶瓷、氮化物和硼化物陶瓷、氧化物陶瓷和玻璃基材料。1.2.1碳化物陶瓷最早出现的韧化SIC材料是颗粒增强SIC材料“Norce-33”,被用于电火花机床中。其它碳化物复合材料还有:SCI化学气相沉积(CVD)纤维增强结构;碳/碳化硅混合材料和碳/碳复合材料;颗粒增强材料:碳化钦颗粒增强碳化硅,它可以提高断裂韧度和强度,碳化钦与陶瓷相混合还可以改进抗氧化性能;氧化被/碳化硅也是颗粒增强材料,它可用来制作微电路基片.1.2.2氮化物和硼化物陶瓷SIC纤维和晶须增强Si3N4陶瓷可以得到断裂韧性提高,加入添加剂如CeO2、BN等还可以改进抗热冲击性能和热性能。氧化错颗粒增强氮化硅也获得一定的成功。1.2.3氧化物陶瓷增韧氧化铝、氧化错陶瓷是这类材料中最令人感兴趣的材料。增韧氧化铝有SIC晶/Al2O3基和SIC纤维/Al2O3。基复合材料;氧化错颗粒增强氧化铝,它的高温性能比相变增韧氧化错更好,因而成为无冷却柴油发动机最有发展前途的材料之一:此外还有研究加入钻石增强Al2O3陶瓷的情况。1.2.4玻璃基材料玻璃和玻璃—陶瓷基材料可以与纤维复合,其原因在于它易于热压加工成形。Nica-lon纤维增强玻璃—陶瓷基材料的力学性能很好,加工制备成本还可以降低,这种复合材料很可能在陶瓷发动机结构中得到应用。1.3陶瓷复合材料的制备及烧结工艺1.3.1溶胶—凝胶(Sol-Gel)法溶胶—凝胶技术是指金属有机物或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经过加热处理生产氧化物或其他化合物固体的方法.在制备陶瓷工艺中也称为SSG法.它是制备陶瓷复合材料的一种较新的方法,通过把各种添加剂、功能有机物或分子、晶种均匀分散在凝胶基质中,加热处理后,此均匀分布状态仍能保存下来.该法的优点是复合材料的均匀性好,加工温度低.1.3.2化学气相浸渍法(CVI).CVI法是把反应物气体浸渍到多孔预制件的内部,发生化学反应并进行沉积,从而形成陶瓷复合材料.CVI工艺中最具有代表性的方法有等温CVI法(ICVI)和热梯度强制对流CVI法(FCVI).ICVI法又称静态法,是将被浸渍的部件放在等温的空间,反应物气体通过扩散入到多孔预制件内,发生化学反应并沉积,而副产物气体再通过扩散向外散逸.通过降低气体的压力和沉积温度提高浸渍深度,在沉积过程中通过对部件的表面加工处理来提高复合材料的致密度.该法工艺和设备简单,目前被广泛采用.FCVI是美国ORNL实验室的研究者提出的一种动态的CVI法.具体做法是:在纤维预制件内施加一个温度梯度,同时不定期施加一个反向的气体压力梯度,迫使反应气体强行通过预制体.FCVI的传质过程是通过对流来实现的,因此可用于制作厚壁部件.1.3.3多相悬浮液混合法此法主要用于制取纳米陶瓷.其主要过程是,根据胶体化学中稳定悬浮液的三种机制,即静电(electrostatle)作用、空间位阻(steric)作用和电空间稳定(electrostericstabilization),先制备各组元的单相悬浮液并加入分散剂,通过调节pH值和分散剂的加入量,使颗粒表面的分散剂达到饱和吸附值,然后优选出两组元(或多组元)都具有良好分散性的混合悬浮液.将各单相悬浮液混合球磨,得到无效混合悬浮液;其后体系絮凝、干燥,即可得到超细混合的粉体.1.3.4聚合物插层法聚合物插层法是制备高性能有机-无机纳米复合材料的一种新方法.此法可进一步提高复合材料力学性能、耐热性及气、液阻隔性能.特别是聚合物(如聚酰亚胺、聚乙烯、环氧、聚胺酯等)与蒙脱石插层制成了不同类型的陶瓷复合材料.1.3.5原位复合法此法主要是利用化学反应生成增强组元-晶须或高长径比晶体来增强陶瓷体的工艺过程.关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物,控制其生成条件使其在陶瓷基体致密化过程中在原位同时生成晶须,形成陶瓷基化合物.本方法最大的优点是可以降低成本和对环境的污染.1.3.6反应烧结(RBAO)法反应烧结法是先将混合均匀的组分压成素坯,在随后的烧结过程中各组分之间或组分与烧结气氛之间发生化学反应,获得预期设计组成的复相陶瓷.1.3.7有机物先躯体热解法近年来,采用有机先躯体制备复合材料粉体的研究有很大进展,用热解有机先躯体聚硅氮烷(PNS)工艺制取稳定的、分布均匀的Si-C-N复合粉体,经反复烧结获得Si3N4/SiC(n)陶瓷.1.3.8高温等静压(HIP)法高温等静压法属于热压烧结的一种,HIP法和一般热压法相比,HIP法使物料受到各向同性的压力,因而陶瓷的显微结构均匀,同时,使得材料的密度增大,气孔减小,疏松减少,抗弯强度也有所增加.如用HIP法处理过的Ba2Ti9O20,其致密度达到99%.另外,HIP法中施加压力高,这样就能使陶瓷坯体在较低的温度下烧结,使常压下不能烧结的材料有可能烧结.1.4陶瓷复合材料的现状和发展趋势陶瓷基复合材料具有重大应用价值,它的工业化应用将对高温热机、航空航天工业和军事应用领域产生重大影响。在改进陶瓷脆性方面发展了几种有效的方法,但研制工作还不够深入,相变、纤维及晶须增韧陶瓷无论在材料制备、性能分析和结构应用等诸方面都还存在间题。纤维/陶瓷复合材料的发展主要取决于其制备技术和高性能纤维增强体的发展。晶须增韧陶瓷的优点在于其制备技术相对较成熟,利用这种陶瓷复合材料进行陶瓷热机结构应用是可行的,进一步的问题是怎样提高和稳定其力学性能,需加强力学研究工作。新的发展趋势是综合各种增韧机制,发展混杂增韧陶瓷,如晶须加入到TZP陶瓷中去,和晶须与纤维,纤维与纤维混杂增韧陶瓷复合材料。研究工作已经表明CMC材料性能的优越性,但目前仍需在材料、力学等方面做好扎实的基础工作,更需要改进工艺,.降低成本,否则仍将是一种自我欣赏的材料。我国在陶瓷基复合材料研究领域已有一定的实力，虽然与国外相比尚有差距,但就发展的势头来看是很令人鼓舞的,只要注拿集中力量,解决好应用与研究、分工与协作等关系,我们是可以在材料,力学分析,以及应用领域取得更大的突破，加入国际先进行列。2.新材料2.1新材料概况新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料的使用性能性能分，有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料在传统材料基础上发展而成，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。因此，某种材料是否属于新材料，主要是依据国际或国家的相关技术标准，结合与传统材料的比较来加以界定。传统材料经过先进制备与加工控制发展成为先进材料（或新材料）。2.2新材料制备技术2.2.1纳米技术与纳米材料纳米科技中的“纳米”为10-9m,是1毫米的百万分之一。原子的直径在0.1-0.3个纳米之间。研究小于10-10m以下的原子内部结构属于原子核物理、粒子物理的范畴。纳米科技是指在纳米尺度(1nm到100nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。制造纳米材料的方法很多,有物理方法,例如:真空冷凝法、UDS法、机械粉碎法、电火花爆炸法、机械球磨法等。化学方法,例如：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、微乳液法等。目前,国际上已商品化的纳米材料有：(1)纳米颗粒型材料。作为磁记录介质的纳米磁性颗粒,与普通磁带比具有高密度、低噪音、高信噪比等优点,而纳米催化剂可以使有机物氯化反应的效率达到传统催化剂的10倍以上。(2)纳米固体材料。用纳米颗粒材料压制成型的纳米陶瓷涡轮机,耐高温、耐腐蚀性能可以提高5倍。(3)纳米颗粒膜材料。颗粒膜传感器高灵敏度、高响应速度、高精度、低能耗和小型化。(4)纳米磁性液体材料。美、日等国生产的磁性液体可用于旋转轴动态密封,可制造各种阻尼