氧化铝陶瓷增韧,要怎么做?

发布时间 | 2023-04-06 17:48 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 732
干燥 氧化铝
导读:氧化物高温陶瓷一般为具有高熔点、高温力学性能稳定的金属氧化物,此外相对于其他陶瓷,抗氧化性能优异是氧化物最重要的特点,比如说目前用量最大的氧化铝陶瓷就是典型代表。

氧化物高温陶瓷一般为具有高熔点、高温力学性能稳定的金属氧化物,此外相对于其他陶瓷,抗氧化性能优异是氧化物最重要的特点,比如说目前用量最大的氧化铝陶瓷就是典型代表。


氧化铝陶瓷

但是氧化铝陶瓷在高温条件下抗蠕变性差,容易发生蠕变破坏导致构件失效。为了弥补这个致命缺陷,可使用晶须增韧、颗粒增韧、相变增韧、纤维增韧等手段进行增强。尤其是使用氧化物纤维增强时,由于抗氧化性能更出众,除了能胜任极端恶劣环境外,还不会因为氧化失效而造成复合材料的性能下降,是在军事及航空航天等领域中应用的最有潜力的候选材料之一。

氧化铝增韧可简单分为非连续相增强以及连续相增强两种模式,其增韧机制及方法如下:

一、非连续相增强氧化铝复合材料

增韧机制

相变增韧、裂纹偏转、颗粒与氧化铝基体之间的弹性模量失配等是颗粒增强氧化铝基复合材料的主要增韧机制。颗粒增韧主要是将ZrO2颗粒加入到氧化铝陶瓷基体中,单斜相的ZrO2颗粒在升温过程中发生晶相改变而引起体积的变化,从而使复合材料内部产生极其细微的裂纹,这些微裂纹起到偏转应力方向、分散应力载荷的作用,增韧效果明显。

制备方法

目前采用晶须增韧及颗粒增韧制备氧化铝基复合材料常用的方式方法为固相反应,通常将增韧体晶须或颗粒与氧化铝粉体混合均匀,压制成型后进行高温烧结,最终制备成颗粒/晶须增强氧化铝复合材料。而短切纤维增强氧化铝复合材料的制备方法与颗粒、晶须增韧大致相同。

根据添加颗粒的属性可以分为刚性颗粒强化和延性颗粒强化:

刚性颗粒多为非金属陶瓷颗粒(非金属粉末),主要有SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2等。因为非金属粉末具有高弹性模量,作为增韧相添加到氧化铝陶瓷基体中,形成的复合陶瓷材料的韧性强度要比单相氧化铝陶瓷高很多,特别是高温断裂韧性。


SiC粉体

延性颗粒强化氧化铝基陶瓷主要是以金属颗粒作为增韧相添加到陶瓷材料的基体中。常见的金属颗粒有:Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金属颗粒作为增韧相不仅可以细化陶瓷基体的晶粒还能通过多种增韧机制阻碍裂纹的扩展速度。

总结:

因工艺简单高效且研究较早,非连续相增强氧化铝复合材料已发展得相对成熟,但增韧效果相对连续纤维来说提升有限,主要原因是在非连续相与氧化铝基体混合时很难做到分散均匀,从而产生应力集中、不均的现象,影响了增韧效果。

二、连续纤维/氧化铝复合材料

增韧机制:

下图所示的为连续纤维增强氧化铝复合材料的增韧原理示意图。由图可以看到,在氧化铝复合材料断裂时会同时发生多种现象,例如纤维桥连、纤维拔出、界面脱粘、裂纹偏转等,其中纤维拔出、纤维桥连、界面脱粘这些现象均会消耗断裂过程中产生的力学载荷并使裂纹偏转,从而避免材料因发生脆性断裂而造成灾难性的破坏。


连续纤维/氧化铝复合材料的增韧机理

制备工艺

常见的制备工艺包括化学气相渗透/沉积工艺、先驱体浸渍裂解工艺、浆料浸渍热压工艺以及溶胶-凝胶工艺等。

(1)化学气相渗透/沉积(CVI/D)

CVI/CVD是一种复合陶瓷的制备工艺,原理是通过将活性气体在高温下经过气相热解反应产生的基质材料渗透到陶瓷纤维预制件中,沉积温度一般为1000~1500℃。所制备的陶瓷基复合材料由于纤维预制体周围的基体材料是缓慢稳定形成的,这样可以最大限度的降低对纤维的化学及机械损伤,因此复合材料通常具有优良的力学强度及抗烧蚀性能。

化学气相沉积/渗透的基本原理

该工艺主要有以下缺陷:一是较长的制备周期提高了生产成本,且在制备过程中容易形成闭合气孔,影响复合材料的致密性;二是CVI/CVD工艺沉积粗厚型预制体的效果较差,容易出现基体不均匀的现象。

(2)先驱体浸渍裂解工艺(PIP)

PIP法是一种将陶瓷纤维预制体浸渍在有机聚合物先驱体中,经固化成型、高温裂解处理后,使有机聚合物前驱体转化为目标陶瓷基体的一种制备工艺。此工艺需要对纤维预制体重复进行数个“浸渍-固化-高温裂解”周期,才可以使纤维增强陶瓷基复合材料达到相对致密的程度,具体流程如下图。

这种制备工艺的优点是可以近净尺寸成型,且较好的保护纤维免受机械损伤,无需烧结助剂即可完成。而缺点则是多次重复的“浸渍-固化-高温裂解”过程会增加复合材料制备的时间成本及人工成本,且在制备后期先驱体会难以进入预制件内部,使其产生密度梯度,影响复合材料的整体性能。

(3)浆料浸渍热压工艺(RI-HP)

RI-HP法是将纤维预制件与可烧结的基体粉末制成坯体,随后高温加压烧结使其紧密结合而形成复合材料的一种制备工艺。得益于热压工艺,使得采用该方法制备的复合材料的致密度得到很大提升,然而在面对大尺寸及复杂形状的坯体时具有一定的局限性,同时热压工艺带来的问题就是不可避免地会对纤维预制体骨架造成损伤或变形,颗粒的聚集也会阻塞预制体外部气孔,造成后续致密化的困难。

(4)溶胶-凝胶工艺(Sol-Gel)

溶胶-凝胶法是目前制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的一类极为重要的制备方法。具体的工艺流程是:将纤维增强体置于制备好的陶瓷前驱体溶胶中完成浸渍过程,随后经过凝胶过程、干燥过程、高温热处理过程,最终制备出纤维增强陶瓷基复合材料。因为往往前驱体溶胶中的固含量有限,一次制备过程不能使得复合材料完全致密化,因此通常视溶胶固含量高低的情况需要多次上述的循环制备过程。

溶胶-凝胶法的优点是可以实现复合材料的近净尺寸成型,成本低廉,操作简单,制备过程中的热处理温度较低,减轻了重复高温对纤维带来的热损伤;缺点则是受限于溶胶的固含量,复合材料的致密化过程往往需要多达十几次的工艺循环,大大提高了复合材料制备的时间成本及人工成本,同时溶胶的粘度也对复合材料的制备过程表现出较大影响,高粘度的溶胶不仅难以进入纤维预制体内部,而且往往会形成密度梯度,影响复合材料的致密化程度。

总结

连续纤维/氧化铝复合材料的制备通常要考虑到三方面因素:纤维、基体以及界面。这其中包括纤维损伤、基体-纤维的结合强度、界面相容性等问题,而往往复合材料的制备工艺对其力学性能及微观结构有着显著的影响。目前世界各国的研究人员已经不单单满足于一种制备工艺,而是通常将两种或两种以上的制备工艺结合起来,以期望复合材料的综合性能可以表现的更为优异。


资料来源:

耿广仁. 氧化铝基纤维/氧化铝复合材料的制备及其性能研究[D]. 山东:济南大学,2020.

赵介南,张宁,周彬彬,等. Al2O3基陶瓷材料的增韧研究进展[J]. 硅酸盐通报,2016,35(9):2866-2871.

 

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