晶须增韧陶瓷复合材料研究进展
芦珊（学号07093095） 电力系统及其自动化09-1班
信息与电气工程学院
摘要
综述了晶须增韧陶瓷复合材料的制备方法和分类;讨论了晶须陶瓷基复合材料的性能以及晶须参数对陶瓷材料力学性能、耐磨性、蠕变性能等方面的影响;并对陶瓷基复合材料晶须在陶瓷材料中的应用、存在的问题及研究的发展趋势等作以介绍。
关键字
晶须增韧 晶须参数 耐磨性 蠕变性 陶瓷
1.引言
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性,但存在脆性大、易断裂的缺点,从而限制了其实际应用范围,因此改善陶瓷材料的脆性、增大强度、提高其在实际应用中的可靠性成为其能否广泛应用的关键。陶瓷材料的韧性可以通过晶须、纤维增韧,颗粒弥散增韧和相变增韧等机理增强。晶须增韧陶瓷基复合材料被认为是能解决高温应用的有效措施,目前该材料已商业化并应用于切削刀具、耐磨零件、宇航和军用器件等。[1] 晶须是具有近似规整截面,其截面积小于4~10cm 2 ,长径比在5~1000,甚至更高,且内、外结构几乎完整的一类单晶纤维材料。目前应用较多的是Si-C晶须陶瓷基复合材料。
2.晶须增强陶瓷基复合材料的制备
制备方法主要有两种：要有2种方法 :(1)外加晶须法:即通过晶须分散、晶须与基体混合、成形、再经煅烧制得增韧陶瓷如加入到氧化物、碳化物、氮化物
等基体中得到增韧陶瓷复合材料,此法目前较为普遍;(2)原位生长晶须法:将陶瓷基体粉末和晶须生长助剂等直接混合成形,在一定的条件下原位合成晶须,同时制备出含有该晶须的陶瓷复合材料,这种方法尚未成熟,有待进一步探索。[2] 制备过程主要有三个：晶须的分散、成型和烧结。
2.1晶须的分散主要包括以下过程：（1）酸洗清理。对晶须进行酸洗清理或热处理，可改变其表面的氧含量，从而影响晶须/基体界面的性质。（2）晶须的过筛与分选。晶须的过筛有两种效果：意识将紧密粘结在一起而又不易分离的晶须团聚体或夹杂物除去：二是是晶须的尺寸大小控制在一定范围内。[3] 2.2 晶须增韧陶瓷经复合材料的成型 成型方法主要包括：半干法成型、注浆成型、流延成型、注射成型、挤出成型和轧模成型。 2.3烧结致密化工艺
主要有无压烧结和压力辅助烧结。 2.3.1无压烧结
相对热压和热等静压烧结烧结温度高、工艺复杂、设备造价高等缺陷,无压烧结在含有添加剂的情况下具有烧结温度低、工艺简单、设备造价低等优点。在Si-C晶须增强的陶瓷复合材料在没有添加烧结助剂的情况下,实现了碳化硅晶须增强锆莫来石复合材料的常压烧结,碳化硅晶须的添加明显提高了锆莫来石材料的力学性能,实现了良好的物理化学匹配。[4] 2.3.2压力辅助烧结
压力辅助烧结主要有热压烧结、热等静压烧结、和等离子体放电烧结。 (1) 热等静压烧结
热等静压(HIP)工艺具有降低烧结温度、抑制晶粒长大、减少添加剂含量等优点,这主要是由于HIP烧结过程中,作用于样品表面各向均衡的压力,既能促进致密化过程,又能抑制晶粒的长大,因而更有利于改善材料的性能。[5]热压烧结是通过同时的高温和压力作用克服晶须的架桥效应，晶须含量可达到60％，致密度可达到理论密度的95%[2]。热等静压与热压烧结工艺相比,具有一定程度上降低烧结温度的优点,但存在烧结工艺更加复杂、设备造价更高、不能进行大件制品烧结等缺陷,故在实际生产中应用有限。 (2) 化学气相渗透(CVI)法
传统的晶须增强陶瓷基复合材料使用烧结助剂来烧结,但是高温时低溶相的存在会破坏基体中的晶须,并且传统的烧结方法会形成强的晶须与基体界面,从而降低晶须的增韧效果。化学气相沉积在Si-C晶须增强的复合材料中运用日趋成熟，大大提高了复合材料的断裂韧性和抗弯强度[6]。 (3) 等离子体放电烧结
等离子体放电烧结是一种交心的烧结方法，与热压烧结类似的烧结过程也是在一定压力作用下进行的，所不同的是借助于等离子体放电烧结复合材料可在较低温度下达到同样的烧结致密度。[7] 放电等离子烧结与传统的热压烧结有着本质的区别,其主要特点是通过陶瓷颗粒间的空位瞬时产生放电等离子,放电等离子激活和净化烧结体内部表面,进而使得这些颗粒自身发热,且在极短的时间内实现热传导和物质传导,因而具有非常高的热效率,可在相当短的时间内使烧结体达到致密。[8]
3.晶须增强陶瓷基复合材料的的性能
3.1对力学性能的影响 (1)对韧性的影响
晶须增韧是陶瓷经复合材料一种重要的增韧方法，是改善陶瓷脆性有效途径。在SiCw-Al2O3基体复合材料中，韧性随晶须直径增大而提高的试验结果。当晶须直径从0.3m提高到1.5m时,该复合材料的断裂韧性从6.5MPam提高至12MPam。[9]早在七十年代,Lange等 研究了Si3 N 4 陶瓷的强度、断裂韧性和显微结构的关系,发现了长柱状-Si3N4晶粒能够改善和提高材料的抗弯强度和断裂韧性(达到6MPa/m )。Luo等利用热压的方法制备的Y-La系自增韧Si3N4,其室温抗弯强度和断裂韧性分别860~960MPa和814~11172MPa/m ,而1350e时的强度和韧性分别为680~720MPa/m和22~24MPa/m[10]。 (2)提高耐磨性
在SiCw-Al2O3陶瓷基复合材料中，随着SiCw引入量的增多，材料的硬度不断提高，硬度赋予了SiCw-Al2O3陶瓷基复合材料黑好的磨削特性。 (3)对蠕变性能的影响
对蠕变速率的研究主要集中在施加应力、温度、晶须含量、气氛等与应变速
率的关系以及应力因子n的确定。研究结果表明，SiCw-Al2O3陶瓷基复合材料的抗蠕变性能均优于单项Al2O3陶瓷材料，其蠕变速率低出1~2个数量级，这得益于晶须位于基质相晶界，抑制蠕变变形[7]。 3.2提高抗震性
林广涌等[11] 研究表明,未加SiCw的Al2O3及ZrO 2 (Y 2 O 3 )基陶瓷材料经1次热震循环即有裂纹产生,而加入20%的SiCw经过6次才有裂纹,而经过8次仍没有开裂。罗学涛等 [12] 在1000e和500e温差的热震实验表明:SiCw对热冲击引起裂纹扩展的影响起着关键作用。 3..3改变其他性能
改变其它性能如导电性、吸波性等。
4.晶须增韧机制
晶须增韧的理论主要 是1988年P .F.Becher提出的晶须增韧公式，即晶须的应变能和从集体拔出的能量变化，这种能量变化，提高了陶瓷材料的韧性。
[3]。
微裂纹效应
微裂纹增韧是较早提出的在多种材料中都存在的一种增韧机理:即在裂纹尖端的应力场和残余应力作用下,晶须成为微裂纹源,而在裂纹前方形成散布的(不连通的)微裂纹区。[13] 4.2 裂纹偏转效应
裂纹偏转增韧是裂纹非平面断裂效应的一种增韧方式。裂纹扩展到达晶须减
少, 时,被迫沿晶须偏转,这意味着裂纹的前行路径更长,裂纹尖端的应力强度裂纹偏转的角度越大,能量释放率就越低,增韧效果就越好,断裂韧性就提高。[2] 4.3裂纹桥联效应
裂纹桥联是一种裂纹尖端尾部效应。即裂纹扩展过程中遇上晶须时,裂纹有可能发生穿晶破坏,也有可能出现互锁现象(Interlocking)即裂纹绕过晶须并形成摩擦桥[2]。 4.4 晶须拔出效应
拔出效应是指当裂纹扩展遇到高强度晶须时,在裂纹尖端附近晶须与基体界面上存在较大的剪切应力,该应力极易造成晶须与界面的分离开裂,晶须可以从基体中拔出,因界面摩擦而消耗外界载荷的能量而达到增韧的目的。同时晶须从基体中拔出会产生微裂纹来吸收更多的能量。[14]
5.晶须参数对其性能的影响
5.1晶须强度
晶须强度Rw提高,能使裂纹闭合力\\界面滑移长度Ls都增加,所以Kb和Kd都相大,使材料韧性提高。随晶须强度提高, K b和基本上呈线性增长。在晶须强度较低时, K bKd,说明随晶须增加,占主导地位的增韧机理逐渐由裂纹偏韧机理过渡到裂纹桥联增韧机理。[15] 5.2晶须弹性模量
晶须弹性模量下降,说明晶须在发生断裂之前可以有较大的弹性变形,从使晶须断裂要消耗较多的能量,桥联增韧效果增大。[15] 5.3晶须尺寸
大尺寸晶须有利于陶瓷韧化,在晶须长径比超过一定的值后,尺过变化只影响桥联增韧效果,并且能使桥联增韧效果超过裂纹编转增韧效果。[15]
6.晶须增强陶瓷基复合材料的应用、存在的问题及展望
6.1应用
SiC陶瓷材料比其它同种材料制成的刀具具有更高的硬度、抗弯强度、断裂韧性、耐磨性和耐热性,因而具有更长的寿命。从80年代中期以来,人们将其广泛
用于切削工具中。磷酸钙系生物陶瓷晶须同其它增强材料相比,不仅不影响材料的增强效果,而且由于良好的生物相容性,可广泛应用于生物陶瓷材料中。利用羟基磷灰石晶须的生物活性也可制得生物复合材料。利用晶须的特殊性能制备各种性能优异的功能型复合材料 ,如铋锶钙铜氧系晶须的超导性制得超导体复合材料,二氧化锡晶须的导电性制得导体等先进复合材料[16]。 6.2存在的问题及展望
（1）目前许多的制备技术还处于实验阶段没有大规模的生产运用，如SiC晶须增强陶瓷基复合材料等，对其动力学过程还不十分了解。加强对制备工艺的研究，将是研究的重点之一。
（2）对于晶须参数对陶瓷基复合材料性能的影响虽有许多模型等，实验得出了许多好的结果，但对于不同的材料其影响机制不同，是否可以提出一种比较统一的影响条件规律仍有待研究。
（3）对于晶须增韧来说，这种单一的增韧机理具有一定的局限性，将来的研究中对于多种增韧机制并存时大幅提高增韧效果的解决办法，早已有实践，如晶须和相变复合增韧陶瓷的复合增韧研究等[17]。
（4）除了利用陶瓷材料的力学性能外，发展期功能特性和机械性能的结合将是未来研究应用的重要方向。
参考文献
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