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。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，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，但排列方向不易控制。Al2O3陶瓷内自生成类晶须状晶粒的原位增韧改变了这一状况，现在已经有科学家利用原位生长获得高强复合Al2O3陶瓷材料，且成本低廉且无污染。
自增韧
自增韧是通过引入添加剂或晶种来诱导Al2O3晶粒异向生长成为板状、棒状等形貌，从而产生类晶须或短纤维的增韧效果，其增韧机制主要为晶粒拔出、裂纹桥接、裂纹偏转等。烧结过程中，引入的添加剂在Al2O3晶界处形成液相，诱导晶粒异向生长。其原因有二：
其一，具有不同晶面能的晶面与液相的润湿性存在差异，使得Al2O3晶粒生长方向不同；其二，晶界处液相可能不连续造成液相传输的不同，使各晶面的生长速度不同。从已有研究来看，较成功的是以球磨方式引入磨屑晶种，诱导Al2O3晶粒生长成为长柱状，所得材料的最佳断裂韧性到达。
ZrO2相变增韧
ZrO2从t相(正方相)向m相(单斜相)转变时会产生约5%的体积膨胀，以其作为Al2O3陶瓷的增韧相，将在基体内产生微裂纹和残余应力等，并产生韧化效果。其增韧机理主要有：裂纹尖端应力场诱发相变产生的体积膨胀和断裂表面吸收能量，ZrO2相变产生的残余压应力阻碍裂纹扩展并使其转向和分叉，相变诱发显微裂纹，细化晶粒等。但纯ZrO2从t到m相变是在较高温度下发生的，为使该过程在室温进行即达到室温增韧效果，一般选择添加稳定剂使t相区扩大至室温。从已有的研究来看,Y2O3是常用稳定剂，Y2O3添加量不同，室温组织不同。有科学家利用微波加热制备了ZrO2增韧莫来石的连接方法，实现了具有一定长度陶瓷构件之间低成本、较高效的连接技术，也提供了一种ZrO2增韧Al2O3陶瓷的新用途。
2.1.2Al2O3陶瓷增强金属基复合材料
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。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也是现在的研究热点。
耐蚀Al2O3金属复合材料
Al2O3陶瓷具有较好的化学稳定性、耐蚀性及抗氧化性，因此，在金属表面覆盖Al2O3陶瓷防护层，可将金属与腐蚀环境隔离，从而改善金属材料腐蚀损耗的状况。
高强网络Al2O3陶瓷金属复合材料
三维网络Al2O3陶瓷金属基复合材料，陶瓷增强体与金属基体在空间呈交织网络结构并形成互锁效应，克服了层状或纤维增强材料的轴向（与片层、纤维方向平行）性能远低于横向（与片层、纤维方向垂直）的缺点，具有耐高温、高强度、抗冲击等特性，可用于航空、机械、军事防弹等领域。随着人们对材料力学性能要求的不断升温，传统的多孔陶瓷骨架已不能满足需求，高强网络陶瓷骨架结构的研究成为热点。
耐磨Al2O3陶瓷金属复合材料
镁、铝合金是常用中、低温结构材料, 但两者耐磨性较差，Al2O3陶瓷增强是改善两者耐磨性的常用方法，Al2O3陶瓷颗粒增强铝合金和短纤维增强镁合金均取得不错成效。但镁、铝合金熔点较低，不宜用于高温耐磨材料。钢铁材料价格便宜，熔点高，是较理想的选择。但Fe与Al2O3陶瓷的湿性较差,导致两者界面结合力较弱，将制约复合材料耐磨性能的发挥。对Al2O3陶瓷颗粒表面金属化处理是改善两者润湿性的常见方法。
2.1.3 Al2O3陶瓷复合材料发展前景
不同的增韧方式，由于增韧机制不同，所达到的增韧效果有所差别，但单一增韧方法均难以达到Al2O3陶瓷韧性和强度同时大幅提高的效果。尽管复合增韧的增韧机理尚待研究，但通过合理的选材和制备工艺,复合增韧可以克服单一增韧方式的不足，实现不同增韧方式间的互补，并最终获得强度和韧性兼备的理想Al2O3陶瓷基复合材料。目前制备Al2O3陶瓷基复合材料一般采用热压烧结法或放电等离子烧结法，与传统的无压烧结相比，材料致密度有较大提高，烧结时间也明显缩短。但其工艺操作较复杂，设备昂贵，以致生产成本也较高。因此，开发低成本的烧结工艺是陶瓷基复合材料烧结的一个重要研究方向。
Al2O3陶瓷增强金属基复合材料在提高金属耐蚀性方面，尽管Al2O3陶瓷涂层的制备技术已经相当成熟，且防护性良好，但制备成本较高，且一般需要金属过渡层来改善Al2O3陶瓷与金属基体的结合性。金属表面自生Al2O3防护层技术，金属与Al2O3间无明显界面，无需过渡层和昂贵设备，具有较好的应用价值。
具有三维连续网络结构的Al2O3金属复合材料，由于增强体和金属基体在空间成网络互穿结构，避免了传统颗粒、纤维或层状增强的各向异性，改善了增强体和金属的整体结合性，因而大大提高了材料的强度、韧性、抗冲击性等力学性能。此外，在承受摩擦磨损时，三维网络Al2O3金属复合材料的硬质Al2O3在磨损表面形成微凸体并起承载作用，结构互锁抑制了金属基体的塑性变形和高温软化，减轻了黏着磨损，故表现出良好的耐磨性。为进一步提高Al2O3网络陶瓷增强体的承载性，开发新型结构的陶瓷骨架是必经之路。人们曾根据骨骼、竹的结构设计出纤维或晶须增韧、增强的复合材料，由贝壳的结构设计出层状复合材料。由此可见，仿生技术在复合材料的设计中的重要性。此外，日益精密的计算机模拟仿真技术，可及时发现并修正设计的不足，减少了设计的盲目性。以此推断，仿生设计和计算机模拟仿真技术将是未来新型网络Al2O3陶瓷骨架设计和研发的重要手段。
2.2玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景
玻璃陶瓷是一种强度高、化学稳定性好、硬度高和电绝缘性好的新型无机材料。玻璃陶瓷的结构和性能与陶瓷、玻璃均不同，是一类特殊的材料。由于它的内部结晶构造比许多陶瓷材料中的晶体要细得多，且更加均匀致密，几乎没有残留气孔，其性能也比相同材质的陶瓷要好得多，因而被作为结构材料、光学材料、电学材料、建筑材料、生物材料等广泛应用于国防尖端技术、工业、建筑及生物医药等各个领域，已成为新材料和新技术研究的热点之一。
与传统陶瓷材料相似，玻璃陶瓷的韧性普遍较低，断裂往往是突发的，且其强度还难以与氧化铝、碳化硅等工程陶瓷材料媲美。因此，如何改善玻璃陶瓷的力学性能是使该材料获得更广泛应用的关键。微观结构是决定材料性能的基础,玻璃陶瓷复合材料具有比玻璃陶瓷更好的微观结构，可消除缺陷，从而达到增强玻璃陶瓷力学性能的目的。不少学者对此进行了大量的研究工作，取得了一定的成果，本文对这些成果按四大类复合材料进行综述。

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