陶瓷基复合材料综述

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1、浅论陶瓷复合材料的研究现状及应用前景董超2009107219金属材料工程摘要本文主要对陶瓷复合材料的研究现状及应用前景进行了研究，并对当今陶瓷复合材料发展面临的问题进行了概括，希望对陶瓷复合材料的进一步发展起到一定的作用。本文首先对Al2O3陶瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景进行了详细的研究。然后对整个陶瓷复合材料的发展趋势及存在的问题进行了分析，得出了在新的时期陶瓷复合材料主要向功能、多功能、机敏、智能复合材料、纳米复合材料、仿生复合材料方向发展；目前复合材料面临的主要问题是基础理论研究问题和新的设计和制备方法问题。关键

2、词：Al2O3陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料研究现状应用前景1.前言以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、用途等不同，可将陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。而在许多重要的应用及研究领域，特殊陶瓷是主要研究对象。陶瓷复合材料是特殊陶瓷的一种。在高技术领域内，对结构材料要求具有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。陶瓷具有优良的综合机械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维

3、等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定提高。因此引起各国科学家的重视。本文主要介绍了各种陶瓷复合材料的研究现状及其应用前景，并对陶瓷复合材料近年来的发展进行综述。2.研究现状随着现代科学技术快速发展，新型陶瓷材料的开发与生产发展异常迅速，新理论、新工艺、新技术和新装备不断出现，形成了新兴的先进无机材料领域和新兴产业。科学技术的发展对材料的要求日益苛刻，先进复合材料已成为现代科学技术发展的关键，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的一个重要指标，因此世界各国都高度重视其研究和发展。复合材料的可设计性大，能满足某些对材料

4、的特殊要求，特别是在航空航天技术领域的应用得到迅速发展。陶瓷复合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韧性，提高其可靠性，发挥陶瓷材料的优势，扩大应用领域。本文就几类典型的陶瓷复合材料介绍其研究现状。2.1Al2O3陶瓷复合材料的研究进展及发展前景Al2O3陶瓷作为常见陶瓷材料，既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度等特点，又具备优良的抗氧化性、化学稳定性、低密度等特性，且来源广泛，价格便宜。因此，在航空航天、国防军工、机械、电子、医疗、化工等领域得到了广泛应用。但纯Al2O3陶瓷材料的韧性很差，这又制约了其优良性能的发挥和实际应用

5、。金属材料具有良好的韧性、导热、导电等特性，但密度大，硬度低，耐蚀及耐磨性相对较差。因此改善Al2O3陶瓷材料脆性即增韧技术的研究，以及利用Al2O3陶瓷耐蚀、高硬、耐磨等特性，以其作为增强体的金属基复合材料的研究与制备，成为当今开发Al2O3陶瓷材料的两大主题。2.1.1Al2O3陶瓷增韧技术纯Al2O3陶瓷材料的韧性很差，这制约了其优良性能的发挥和实际应用。因此改善Al2O3陶瓷材料脆性即增韧技术的研究成为当今开发Al2O3陶瓷材料的主题之一。Al2O3陶瓷材料的增韧技术主要有纳米颗粒增韧、纤维或晶须增韧、自增韧、ZrO2相变增韧等，

6、下面分别介绍其研究状况。纳米颗粒增韧纳米颗粒增韧是近年来Al2O3陶瓷最常见的增韧方式之一。与传统的微米级颗粒相比，纳米颗粒具有比表面积大、表面能高等优点，有助于降低烧结温度及加速致密化过程。延性金属单质或金属间化合物颗粒作为增韧相，不仅可细化Al2O3晶粒，改善烧结性能，还能以多种方式阻碍裂纹的扩展，如金属粒子的拔出、塑性变形以及裂纹桥接、偏转、钉扎等、使得复合材料的抗弯强度和断裂韧性都得以提高。纳米硬质化合物颗粒作为增韧相可存在于Al2O3晶间和晶内，其增韧机理主要有细化基体晶粒（晶间型），残余应力及裂纹偏转导致的穿晶断裂（晶内型）钉

7、扎裂纹及位错、微裂纹增韧不同纳米增韧颗粒由于增韧机制不同，所得材料力学性能差别较大，但金属或硬质化合物颗粒均不能达到使Al2O3陶瓷强度和韧性同时大幅提升的理想效果。纤维或晶须增韧纤维（晶须）的增韧机制主要是纤维（晶须）的拔出与桥接作用，以及阻碍裂纹扩展并使其转向等。纤维（晶须）增韧效果取决于其与Al2O3陶瓷的结合强度、排列方式、纤维的含量、纤维的长径比等。如果纤维（晶须）线膨胀系数稍大于Al2O3基体，烧结冷却后基体内的残余压应力阻止裂纹的扩展，提高增韧效果。尽管纤维（晶须）的增韧效果明显，且现在已制备了内径可控的纤维状Al2O3基复

8、合材料，但目前困扰纤维（晶须）增韧Al2O3陶瓷的最大困难在于其生产成本及分散工艺。长纤维制备工艺成本高，具有环境污染性，且在基体中难以均匀分布。短晶须制备相对简单，易分布均匀，但排列方向不易