Al_2O_3陶瓷复合材料的研究进展

Al2O3陶瓷复合材料的研究进展

ResearchProgressofAl2O3CeramicComposites

陈维平,韩孟岩,杨少锋

(华南理工大学广东省金属新材料制备与成形重点实验室,广州510640)

CHENWei ping,HANMeng yan,YANGShao feng

(GuangdongKeyLaboratoryforAdvancedMetallicMaterialsProcessing,

SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

摘要:介绍了Al2O3陶瓷增韧技术和Al2O3陶瓷增强金属基复合材料的研究进展,指出复合增韧是未来Al2O3陶瓷增韧技术的发展方向;金属表面自生Al2O3防护层技术是提高金属耐蚀性,降低成本的有效方法;三维网络Al2O3陶瓷/金属复合材料具有更优良的力学性能;仿生设计和计算机模拟技术是开发新型网络Al2O3陶瓷骨架的重要手段。关键词:Al2O3陶瓷;复合材料;增韧;增强

中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2011)03 0091 06

Abstract:ThetougheningtechnologyofAl2O3ceramicandstrengtheningofmetalmatrixcompositeswithAl2O3ceramicaredescribed.ItispointedoutthatcompoundtougheningwillbethebetterchoiceforthetougheningtechnologyofAl2O3ceramicinthefuture;Al2O3ceramic/metalcompositeswithnetworkstructurehavebettermechanicalproperties;self formingAl2O3protectivelayeronthesurfaceofmetalisaneffectivemethodforimprovingresistingcorrosionandreducingcosts;bionicdesignandcomputersimulatingareveryusefulfordevelopingnewnetworkAl2O3ceramicskeleton.

Keywords:Al2O3ceramic;composite;toughening;strengthening 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

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料的韧性很差,室温下的断裂韧性只有3MPa m左右[1],这又制约了其优良性能的发挥和实际应用。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。据统计,世界钢产量的1/10因腐蚀而损失,我国每年材料磨损损失近150亿元[2]。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。本文从Al2O3陶瓷增韧技术和Al2O3陶瓷增强金属基复合材料两方面,结合近年来国内外研究成果,对Al2O3陶瓷材料的研究现状进行了介绍,并分析了其未来的发展趋势。1 Al2O3陶瓷增韧技术

1.1 纳米颗粒增韧

l2O3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。根据纳米颗粒材料性质,可分为金属单质/Al2O3体系(如Cr/Al2O3

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,Mo/Al2O3

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,

Ni/Al2O3[5]等),金属间化合物/Al2O3体系(如TiAl/Al2O3[6],FeAl/Al2O3[7],NixAly/Al2O3[8]等),硬质化合物/Al2O3体系(如NbC/Al2O3

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,TiC/Al2O3

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,

SiC/Al2O3[11]等)。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),钉扎裂纹及位错、微裂纹增韧等。

金属单质的增韧效果一般好于金属间化合物及硬质颗粒,Fahrenholtz等

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利用原位反应和热压法

(HP)制备的Ni/Al2O3的断裂韧性达到12.1MPa m1/2,抗弯强度约为610MPa。金属间化合物具有熔点,Al2O3