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让陶瓷材料不再“脆弱”,纳米复合陶瓷是这样做到的
2022年05月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:125
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陶瓷材料具有硬度高、化学性质稳定、热膨胀系数小等一系列优良特性在能源、军工、机械、化工、电子信息等各个领域具有广泛应用。但它其存在高脆性,限制了其在某些高端领域的应用,如何改善陶瓷材料的“高脆性”这一弱点,一直是陶瓷材料研究者所关心的问题。随着科技的不断发展,特别是纳米粉体制备的不断发展,纳米复合陶瓷为解决陶瓷材料的高脆性提供了新的思路。

纳米复合陶瓷中的纳米相是以两种形式存在,一种是分布在微米级陶瓷晶粒之间的晶间纳米相;另一种则“嵌入”基质晶粒内部,被称为晶内纳米相或“内晶型”结构。两种结构共同作用产生了两个显著的效应:穿晶断裂和多重界面,从而对材料的力学性能起到重要的影响。下面小编结合纳米复合陶瓷的微观结构、残余应力、增韧补强三个方面介绍:

一、微观结构

纳米复合陶瓷“内晶型”纳米相是其微观结构结构特征。这种结构使主晶粒内部产生大量次界面和微裂纹,造成基质颗粒潜在分化,从而使主晶界的作用有所减弱,诱发穿晶断裂。同时,晶内与晶界的纳米粒子使陶瓷基体产生大量位错群,位错群又往往被纳米粒子“钉扎”,使裂纹扩展受到阻碍或发生偏折,提高了材料的断裂能。

Al2O3/SiC纳米复合陶瓷微观结构SEM

Al2O3/SiC纳米复合陶瓷微观结构SEM

研究者采用纳米级碳化硅粉和微米级氧化铝粉为原料,使用真空热压炉烧结,制备出Al2O3/SiC纳米复合陶瓷,具有相对密度高(超过99.47%),弯曲强度高(507.82MPa)、断裂韧性好(4.75MPa·m1/2)、维氏硬度(1824.96Hv)高等优点。其微观结构显示Al2O3/SiC陶瓷中存在着种类丰富的位错组态和位错结构,这在一般陶瓷中是难以见到的。

二、残余应力

纳米复合陶瓷相间热膨胀系数的失配和弹性模量的差异对材料性能影响很大,其中热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是复合陶瓷补强增韧的主要根源之一。

例如在Al2O3/SiC系和MgO/SiC系中,虽然基质的热膨胀系数比纳米相的大,裂纹偏转增韧程度很小,但由于残余热应力以压应力的方式作用在两相界面上,使两相界面结合牢固,这就可能实现“内晶型”纳米粉体粒子对穿晶裂纹的二次偏转而耗散能量,从而提高材料的韧性。研究者通过应变分析和理论推算,提出Al2O3/SiC纳米复合陶瓷中随SiC增加,第二相颗粒间距缩小,垂直于裂纹扩展方向的残余拉应力的振幅减小但平均值增大,使材料韧性增量下降;并提出SiC为3.5~5wt%对应着体系最高韧性。

Al2O3/SiC纳米复相陶瓷断口组织的SEM

Al2O3/SiC纳米复相陶瓷断口组织的SEM

三、增韧补强

目前关于纳米复合陶瓷的增强韧化机理主要分为四类:一是细化基体颗粒;二是界面自增韧,即晶内纳米粒子使基体颗粒内部形成次界面,并同晶界纳米相一样具有钉扎位错的作用;三是微裂纹增韧:纳米粒子周围基质形成拉应力导致穿晶断裂并使穿晶裂纹二次偏转;四是晶须或纤维增韧。

1.细化基体颗粒

为改善先进陶瓷的性能,细、密、匀、纯的陶瓷粉体是目前发展的一个重要方面。陶瓷粉体的细化使得组织结构更加均匀,减小了应力集中及显微裂纹的尺寸;细晶结构导致晶界体积分数增加,陶瓷断裂过程生成的新表面积增大,因此断裂前吸收的外界能量增加,宏观上表现为陶瓷断裂韧性提高。

研究者采用纳米级B2O3、Al、石墨和B4C粉体为原料,制备B4C/Al2O3纳米复合陶瓷,其主要成分为B4C和Al2O3,其中主相B4C约占70wt%,第二相Al2O3约占30wt%,由Al-B-O共同构成的复杂中间相填充在主相与第二相之间;复相陶瓷的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为2.82g/cm3,41.5GPa,380MPa和3.9MPa.m1/2,其中断裂韧性比纯微米级碳化硼陶瓷提高了85.7%。

B4C/Al2O3纳米复合陶瓷SEM

B4C/Al2O3纳米复合陶瓷SEM

2.界面自韧化

Si3N4/SiC片层复合陶瓷材料利用界面自韧化解决单一的氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷材料的脆性较大、易断裂问题。Si3N4/SiC片层复合陶瓷材料在界面处大量存在的烧结助剂有利于氮化硅棒晶生长,大尺寸的氮化硅棒晶将氮化硅层与碳化硅层连接起来,产生界面自韧化的效果。材料的弯曲强度大于700MPa,收缩率﹤15%,同时,其韧性可到16MPa·m1/2以上,完全可以满足高韧性陶瓷材料的使用要求。其断裂功﹥6KJ/m2,材料的断裂预警明确,具有高的安全系数。

Si3N4/SiC片层复合陶瓷材料SEM

Si3N4/SiC片层复合陶瓷材料SEM

3.微裂纹增韧

微裂纹增韧是通过微裂纹分散主裂纹尖端能量而提高材料韧性的方法。即微裂纹在扩展和形成新的微裂纹过程中消耗部分能量,而达到宏观增韧效果。微裂纹通常存在于由线胀系数不匹配或相变所致的局部张力区内。以Al2O3/ZrO2/ZrSiO4复合陶瓷材料为例,该复合陶瓷材料中ZrSiO4为主要晶相,另外还有少量Al2O3和ZrO2存在;第二种增强体ZrO2的最佳引入量为20%(质量分数);确定复合材料的强韧化是由Al2O3和ZrO2纳米颗粒引起的裂纹偏转、微裂纹增韧与ZrO2纳米颗粒引起的相变增韧共同作用而实现的,断裂方式主要为穿晶断裂。

Al2O3/ZrO2/ZrSiO4复合陶瓷材料SEM

Al2O3/ZrO2/ZrSiO4复合陶瓷材料SEM

4.晶须或纤维增韧

利用SiC、Si3N4等晶须或C、SiC等长纤维对Si3N4陶瓷进行复合增韧。下表典型晶须/纤维增韧Si3N4陶瓷复合材料的力学性能,可见晶须或纤维能大幅度提高Si3N4的断裂韧性,但由于晶须或纤维的分散工艺复杂,烧结致密化困难以及与基体的相容性问题而使其实际应用受到限制。

晶须( 纤维) 增韧 Si3N4 陶瓷复合材料的力学性能


四、纳米复合陶瓷的应用

1.航天航空领域

SiC陶瓷基体中引入SiC纤维或碳纤维制备的SiC/SiC、C/SiC纳米复合陶瓷,其弥补了陶瓷材料的缺陷,具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗冲击等性能,可应用在航空发动机、航天发动机、飞行器防热结构、太空轻质结构、刹车制动、核能、光伏电子等多个领域,主要应用在航空航天领域,生产发动机燃烧室内衬、喷口导流叶片等产品。目前市场中应用需求较高的主要有SiC/SiC纳米复合陶瓷。

SiC/SiC纳米复合陶瓷应用于航空发动机喷口导流叶片

SiC/SiC纳米复合陶瓷应用于航空发动机喷口导流叶片

2.冶金工业领域

Si3N4/SiC纳米复合陶瓷由于其具有高温强度好、热扩散系数低、抗热震性好等优点,使其成为了高温或超高温领域最有前途的高温复合结构陶瓷。

Si3N4/SiC纳米复合陶瓷应用于冶金工业领域热电偶保护管

Si3N4/SiC纳米复合陶瓷应用于冶金工业领域热电偶保护管

3.国防军工领域

陶瓷防弹装甲在国际上因反恐战争而成为快速成长的一个产业,B4C/Al2O3纳米复合陶瓷材料具有高硬度、质量轻等优点,广泛应用于人体防弹背心、直升机腹部防弹层、坦克装甲车防弹层等。

 B4C/Al2O3纳米复合陶瓷材料应用于防弹装甲

B4C/Al2O3纳米复合陶瓷材料应用于防弹装甲

4.电子行业

Al2O3/ZrO2纳米复合陶瓷具有强度高、热膨胀系数低、导热性好等特点,可以用于制造各种高强度电源模块用基板,可支持铜电路板的直接接合。

Al2O3/ZrO2纳米复合陶瓷电源模块用基板

Al2O3/ZrO2纳米复合陶瓷电源模块用基板

AlN纳米复合陶瓷具有电绝缘性和优异的导热性,对于需散热的应用而言,它是理想之选。此外,由于其热膨胀系数接近硅,且具有优异的等离子体抗性,可被用于制造半导体加工设备部件。在半导体制造工艺中,该类产品可用于硅晶片的安装、校正平面度和硅晶片的冷却。

AlN纳米复合陶瓷应用于半导体制造的静电夹盘

AlN纳米复合陶瓷应用于半导体制造的静电夹盘

5.生物医疗领域

纳米复合陶瓷作为生物陶瓷材料,由于其化学惰性、优异的力学性能和耐磨耐蚀性,已成为骨骼、牙齿和关节等组织的置换材料。陶瓷手术刀以及生物液体纳米陶瓷过滤膜等医用工具也是结构陶瓷在医用领域的另一应用方向。氧化铝与氧化锆复合的陶瓷已成功应用于人体的髋关节及膝关节。

氧化铝与氧化锆复合陶瓷应用于人体的髋关节及膝关节

氧化铝与氧化锆复合陶瓷应用于人体的髋关节及膝关节

 

参考文献:

1. 焦绥隆等,氧化铝/碳化硅纳米复合陶瓷的力学性能和强化机理,材料导报。

2. 李虹,黄莉萍,蒋薪,等,纳米SiC/Si3N4复合粉体制备及材料的显微结构,硅酸盐学报。

3. 黄政仁,江东亮,谭寿洪,SiC/Al2O3基复相陶瓷的性能研究,硅酸盐学报。

4. 张翠萍,反应烧结碳化硼复合材料显微组织和力学性能的研究,东北大学博士学位论文。

5. 翟鸿祥,袁泉,黄勇,汪长安,SiC晶须及原位增强Si3N4基复合材料的断裂过程,硅酸盐学报。


昕玥

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