陶瓷基材料的制备

1、陶瓷基复合材料的制备工艺陈光3110702047,金属1102，材料科学与工程学院摘要：陶瓷基复合材料具有较好的力学性能并在很多方面有着重要作用。本文主 要描述陶瓷基复合材料的发展现状，制备工艺及工艺对比关键词：陶瓷基，复合材料，现状，制备工艺一、陶瓷基复合材料的现状传统陶瓷是以粘土为主要原料烧制而成，其成分中含硅酸盐。近代发展了不 含硅酸盐的化合物陶瓷，如由氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硅物、硫化物 或其它无机非金属材料制成的陶瓷。此外，还有在陶瓷中掺入金属的，金属陶瓷 和以金属纤维或无机非金属纤维的增强陶瓷。这些陶瓷由于其化学组成、显微结 构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷或高技术陶

2、瓷。特种陶瓷不同的化学 组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、高韧性、 耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光 等。由于性能特殊，这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械电子、 化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。一些经济发达国家，特 别是日本、美国和西欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质 基础，投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷，因此，特种陶瓷的发展十 分迅速，在技术上也有很大突破1,2 。因此，许多科学家预言：特种陶瓷在 二十一世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。二、制备工艺1浆料

3、浸渍一热压法3,4 此方法是制备纤维增强玻璃和低熔点陶瓷基复合材料的传统方法（一般温度在 1300C以下），也是最早用于制备FRCMCs的方法。其主要工艺过程如下:将纤维 浸渍在含有基体粉料的浆料中，然后通过缠绕将浸有浆料的纤维制成无纬布， 经切片、叠加、热模压成型和热压烧结后制得复合材料。浆料一般由基体粉料、 有机粘结剂、有机溶剂和烧结助剂组成。由于基体软化温度较低，可使热压温度 接近或低于陶瓷软化温度，利用某些陶瓷(如玻璃)的粘性流动来获得致密的复 合材料。此工艺主要用于玻璃和低熔点陶瓷基复合材料。然而，通过液相烧结机 制，此工艺也可在高熔点陶瓷基复合材料中得到应用。2化学反应法5-7 化

4、学气相沉积(CVD)法是纤维或晶须利用有机溶剂均匀分散后，经高温固化 成一定形状的骨架纤维体，此纤维体具有一定的强度，足以允许某些机加工和置 于化学气相沉积炉内操作。原料气体在纤维或晶须预成型体的空隙中发生反应， 所生成的微小颗粒充填沉积在纤维间的空隙中，最后形成所要求的制品。化学气 相渗入法(CV I)是20世纪60年代中期以后在CVD的基础上发展起来的，这种方 法是一种既可缩短工艺周期，又有利于工业化生产的复合材料制备工艺。其基本 工艺是等温工艺:把纤维预成型体置于炉内，反应气体流动通过炉子时扩散到 成型中去。热梯度工艺:反应气体流过预成型体较冷表面,并通过预成型体的厚 度方向向着加热表观

5、扩散。压力梯度工艺:在压力作用下,反应气体流动通过等 温的纤维预成型体。反应烧结法(RP )该工艺是将短纤维或晶须与基体材料所用的 原料在分散介质中均匀混合后，利用十压、等静压或注浆等冷态成型工艺成型， 经干燥后于反应烧结炉中反应烧结成制品。如BN纤维增强反应烧结Si3N4复合材 料是将BN纤维剪成100mm左右的长度，与硅粉混合成型，在1450 C下氮化而成。 采用浸渍和反应烧结相结合的方法制备SiC连续纤维增强Si3N4基复合材料，这 一工艺首先是将SiC纤维预成型体固化，再将固化了的预成型体放入亚微米级的 Si - Si3N4颗粒泥中浸渍，而后在1300 C下使基体反应烧结(氮化反应)。

6、3熔体渗透(浸渍)法8 该方法法是以熔融金属的直接氧化反应为基础，在金属原位形成氧化物来制 得氧化物-纤维增强增韧复合材料。在高温下呈熔融状态的金属通过纤维或晶须 的空隙向上部渗透，在渗透前沿的金属与顶部的反应气体接触而发生氧化反应， 由此在纤维或晶须的空隙中不断生成金属氧化物，从而形成纤维复合氧化物陶瓷。 该法最早由Lanxide公司提出，所以也叫Lanxide法，它具有工艺简单、成本低、产 品不收缩且低温性能较好等优点。此外，这种方法所制备的复合材料中一般残留 有5%30%(体积)金属，因此会影响材料的高温性能。4溶胶-凝胶法(Sol - Gel) 9此法是将纤维或晶须制成含大量空隙的一定

7、形状的预成型体，然后将易流动 的溶胶注入并让其入到纤维预成型体中，经凝胶化和干燥后烧结即可制得较致密 的纤维/陶瓷基复合材料。其优点是复合体的均匀性好，烧结温度低，并由此可抑 制纤维与基体间的界面反应。其缺点是复合体的收缩性大，易残留较多微细气孔, 有时会残留较多的碳基或羟基，从而影响材料的性能。5晶须析出法:10 在陶瓷粉体中加入一定量的晶须生长剂和原料，并压成密度不很高的坯体， 将该坯体在中高温和适当气氛下处理,便可在复合体内部生长一定量的晶须和长 径比较大的品粒，品须可在烧结后的陶复合体中起到增韧的作用。用这种方法制 备的复合材料的密度较小，但工艺简单，且晶须分散性好，由于含较少的杂质，

8、因 此高温性能好，有人采用Si3N4的碳热还原的方法,制备出密度高、杂质含量低、 品须分散均匀的SiC晶须/Si3N4陶瓷复合材料。三、工艺对比热压法制造陶瓷基复合材料具有设备简单，成本低廉，操作方便等特点， 但仅适用于单向或层状纤维补强的形状简单的陶瓷基复合材料。化学反应法的主要优点是：（1）可以在远低于基体材料熔点的温度下合成陶 瓷基体，避免了纤维与基体间的高温化学反应；（2）基体沉积过程对纤维基本上无 损伤，而保证了复合材料结构的完整性，并可近净成型（near net shape）形状复 杂的FRCMCs制品；（3）通过改变工艺条件，可制备出单基、多基、变组分或变密度 的FRCMCs,有

9、利于材料的优化设计与多功能化。该工艺的不足之处主要在于：（1） 设备较复杂，制备周期长；（2）不适合制备厚壁部件；（3）复合材料残余孔隙率较 高（1520%）,从而影响复合材料性能。与其它制备方法相比，熔体渗透法优点在于：（1）工艺简单，只需一步渗透 处理即可获得致密和无裂纹的陶瓷基复合材料；（2）从预制件到成品的加工过程 中，其尺寸基本不变；（3）可以制备形状复杂的制品，并能够在一定程度上保持 纤维骨架的形状和纤维的强度。然而，对于陶瓷系统来说，目前还很少采用此工 艺。原因在于：（1）陶瓷熔点较高，在浸透过程中容易损伤纤维和导致纤维与基体 间发生界面反应；（2 ）陶瓷熔体的粘度远大于金属的粘

10、度，因此陶瓷熔体很难浸 透。溶胶-凝胶法优点是复合体的均匀性好，烧结温度低，并由此可抑制纤维与基 体间的界面反应。其缺点是复合体的收缩性大,易残留较多微细气孔，有时会残留 较多的碳基或羟基，从而影响材料的性能。四、陶瓷基复合材料的发展【11】陶瓷方面的专家们指出，目前，开发电子陶瓷的形态主要是大块材料，随着 最近半导体集成电器的发展，对薄膜器件的要求有所增加，韩国现在正全力 研究电子陶瓷的薄膜。其对象是压电材料、音响光学材料、电气光学材料、磁气 光学材料等。为了开发适合半导体技术的有源薄膜高科技，现正研究单层及多层 的薄膜技术；赋予其电气、物理功能；表面特性的解析、评价等。韩国相关部门 认为，

11、该薄膜高科产品的开发，是关系到将来高科技企业存亡的关键，同时也认 识到研究开发项目应尽早实行。专家们预测，先进陶瓷开发项目的未来技术等方 面，大块材料及薄膜在技术开发方面都将会有较大的进展。大块材料是以现在材 料技术为基础，2000年已经发展成相当成熟的产业。陶瓷方面的专家们同时还 指出，虽然薄膜还处于技术逐步成熟阶段，但是进入21世纪，已经能够开发出 一些先进的薄膜器件。例如，有称之为超金刚石的薄膜，由于其具有优秀的耐磨 性，所以现在已用作VC/TR磁头的包覆材料。将来，考虑将其优秀的电气传导 性和热传导性应用到微型计算机，将其优秀的耐腐蚀性和耐放射特性应用到宇宙 空间站的防护或反应堆上去，

12、将其优秀的光学特性应用到激光振荡装置，将其耐 热性应用到高温半导体，将其很高的硬度特性应用到切削工具等。与此同时，在 今后先进陶瓷的研究开发中，还必须着重考虑人类社会所面临的息息相关能源和 环保问题。结语：随着现代科学技术的发展，对材料的要求更高更严，作为具有优良性能 的特种陶瓷已经得到了广泛的应用。许多现代国防工业和尖端科学技术，如航空、 航天、半导体、高频技术、高温材料和各种特种用途新材料、新元件无不需要陶 瓷材料。作为具有悠久历史的陶瓷，随着世界科学技术的日新月异，新型的陶瓷 基复合材料必然会层出不穷，古老的陶瓷工业在新的形势下在次产生飞跃，在现 在工业中放出更加灿烂的光芒。参考文献：1

13、 高朋召三维碳纤维预制体/陶瓷基复合材料的制备及性能研究20042 韩桂芳，张立同，成来飞等二维石英纤维增多孔Si3N4-SiO2基复合材料的 制备及其力学性能J 复合材料学报,2007,24(1):91-96:3 孙康宁，尹衍升,李爱民.金属间化合物-陶瓷基复合材料M.北京:机械工 业出版社,2002.4 R.A.Sambill. J .J .Mater.Sci., 1992 27 :672.5 K.M .Prewo. P .U.S .Pat .No:4399231m1983.6 梁波1反应合成法制备先进陶瓷J 1材料科学与工艺，2000, 8 (3): 84 - 8717 朱时珍，李俊红,于晓东1连续碳纤维增强碳化硅复合材料的制备与性能 研究J 1北京理工大学学报