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全国性建材科技期刊———《陶瓷》　2003年　第3期　总第163期

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层状陶瓷复合材料制备技术的研究进展

刘开平1,2　　　　　周敬恩1

(1西安交通大学材料学院　710049)　(2长安大学　西安　710054)

摘　要　论述了层状陶瓷复合材料的性能特点以及这种材料的发展现状,从基体及夹层材料的类型选择和匹配、结构及界面的设计、工艺参数的选取、料浆制备、薄层预制、复合成形、进展;

,发展前景。

关键词　仿生材料　仿生设计　层状复合材料　石墨叠层陶瓷材料。我国学者杨辉等[7]从1992年起

　引言

近年来,围绕着改善陶瓷材料韧性的问题,国内外进行了大量的研究工作,其中采用层状复合结构设计

进行陶瓷增韧就是其中的方法之一。陶瓷的层状复合是大自然中贝壳等生物材料的一种结构仿生设计。贝壳类生物材料是由95%以上的脆性文石晶体和少量的壳角蛋白以强弱相间的层状形式复合而成的,这种结构具有比一般文石晶体高得多的综合机械性能。层状复合陶瓷也是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层(通常称之为夹层[1]、隔离层[2]或界面层[3])制成。这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构,能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。当材料受到弯曲或冲击时,裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折,有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。同时,这种材料的强度受缺陷影响较小,是一种耐缺陷材料[4]。这种结构可使陶瓷的韧性得到很大改善。以氮化硅为例,断裂韧性达到20MPa m1/2以上,抗弯强度达到600MPa以上,断裂功提高2～3个数量级[5]。

1990年W.J.Clegg等人[6首次试制出了碳化硅/

序号

单相基体/夹层材料

性能抗折强度584MPa基体硬度4.0MPa抗折强度310MPa冲击强度68.1kJ.m-2

也开始进行层状复合陶瓷的研究,已取得了较大的进展。由于这种结构具有很大的设计自由度,并且比纤维复合材料成本低,体积分数容易控制[8,9],因而成为近年来陶瓷增韧领域的研究热点之一。

1　层状陶瓷的材料和结构设计

提高层状陶瓷材料韧性的关键技术包括材料基体的优化、夹层匹配的选择、结构及界面设计等。1.1　材料选择1.1.1　基体材料

目前,

层状陶瓷复合材料研究的基体材料主要是一些具有较高强度和弹性模量的结构陶瓷材料,如Al203,ZrO2,SiC,Si3N4,TiB2,B4C等。

基体材料的强度对复合材料的性能有很大影响。根据W.J.Clegg的观点[10],基体材料的强度直接影响复合材料的断裂韧性值。强度越高,断裂韧性越高。基体材料增韧后可以提高层状复合材料的断裂性能。基体材料常用的增韧方法有颗粒弥散增韧、纤维或晶须增韧、相变增韧等。研究证明,基体材料采用不同的增韧方法和材料其增韧效果是不同的(见表1)。

多相基体/夹层材料

性能抗折强度410MPa基体硬度11.0MPa抗折强度363MPa冲击强度88.6kJ.m-2

表1　基体材料对层状陶瓷性能的影响

1[11]β-SiC/(TiB2+42%B4C)(β-SiC+10%B4C+4%TiO2)/(TiB2+42%B4C)

2[12]Al2O3/BN(Al2O3+ZrO2)/BN