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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料江雪玲(重庆师范大学化学学院,XX级材料化学,XX)摘要：概述了陶瓷基复合材料的基本概念，介绍了陶瓷基复合材料的分类及其应用，以及各类陶瓷基复合材料的优点、缺点。最后，综合了陶瓷基复合材料的优点、缺点，并对未来陶瓷基复合材料的发展提出了期许以及发展方向。关键词：陶瓷基复合材料、氧化物基透波材料、磷酸盐基透波材料、氮化物基透波材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶
2、瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。1、陶瓷基复合材料由于陶瓷本身存在韧性和可靠性不足的缺点，因此人们对各种陶瓷材料进行优化设计，制备出整体性能更为优异的陶瓷基透波复合材料。陶瓷基透波复合材料按基体的成分不同可主要分为氧化物基、磷酸盐基及氮化物基等系列。下表为部分陶瓷基透波复合材料的基本性能。表：部分陶瓷基透波复合材料的基本性能2、氧化物
3、基透波材料虽然石英陶瓷具有优异的介电性能，但其也存在抗雨蚀性能、力学性能较差的缺点，为此人们通过各种增强方式来提高石英陶瓷材料的断裂韧性和可靠性。连续纤维增强陶瓷基复合材料具有强度高、韧性好、密度低等特点，因而收到了广泛关注。等制备了三维石英纤维织物增强二氧化硅复合材料AS-3DX,材料的介电常数为,介电损耗为(,25),国防科学技术大学宋阳曦采用溶胶-凝胶工艺,通过浓缩硅溶胶并引入手糊成型工艺和模压工艺制备了二维石英纤维织物增强石英基(2DSiO2f/SiO2)复合材料,其介电常数为,损耗角正切为,热导率为/(),由此可见，这类材料的透波性能优异，但热导率仍然偏高，高温性能有待改善。2、磷酸
4、盐基透波材料磷酸盐基复合材料一般由布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得。目前在航天透波材料领域获得应用的主要有硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料。磷酸盐基复合材料具有耐高温、高强度、介电性能优异、抗氧化、结构可设计良好以及热膨胀系数小的特点。而磷酸盐最大的缺点是吸湿性很强，一般通过在材料表面涂覆有机涂层以达到防潮的目的。铝震宇利用传流的无压烧结技术制备出硼酸铝晶须增强了磷酸铝陶瓷基透波复合材料，材料的弯曲强度为,介电常数和介电损耗分别在和范围内。3、氮化物基透波材料采用氮化硅、氮化硼制备的复合材料具有更稳定的热物理性能和更好的力学性能。国防科学技术大学姜勇刚采用先驱体转化法制备出
5、新型天线罩材料-石英纤维增强氮化物复合材料。在测试频率，残余应力及裂纹偏转导致的穿晶断裂钉扎裂纹及位错、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的增韧机制主要是纤维的拔出与桥接作用，以及阻碍裂纹扩展并使其转向等。纤维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
6、，但目前困扰纤维增韧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
7、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
8、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。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
9、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性能远低于横向的缺点，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，Al2
10、O3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。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
11、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Al
12、2O3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，
13、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。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
14、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。纤维增强玻璃陶瓷复合材料近年来，人们对玻璃陶瓷增强增韧技术的研究进行了新的探讨，目前公认的有效办法是对玻璃陶瓷进行纤维补强。纤维增强陶瓷基复合材料不仅有利于提高基体材料的强度，也有利于提高材料的裂纹扩
15、展抗力，可有效降低材料发生灾害性断裂的可能性，增强材料的抗疲劳强度，使玻璃陶瓷复合材料的力学性能可与Si3N4等结构陶瓷媲美，甚至更优。纤维玻璃陶瓷复合材料在力学性能、耐高温能力和化学稳定性方面都具有其独特的优点，在高技术领域有广阔的应用前景。20世纪60年代末70年代初，科学家已经制备了碳纤维增强玻璃陶瓷复合材料，该材料的抗弯强度和韧度可以与同时期的碳纤维增强树脂基复合材料媲美，而使用温度比树脂基复合材料高得多。一些科学家采用流延法制备单向预浸片和叠层热压方法制备了短纤维增强玻璃陶瓷基复合材料，研究了在不同介质中复合材料的静疲劳行为。结果表明，复合材料的疲劳指数和疲劳强度均高于陶瓷基体，分析
16、认为纤维的加入降低了复合材料在静疲劳中的裂纹扩展阻力，静疲劳应力腐蚀促进了基体裂纹尖端扩展，同时通过对纤维基体界面的作用影响材料的裂纹扩展阻力，随着应力腐蚀作用的加强，含有硅氧键的较强纤维基体界面的弱化有利于改善复合材料的静疲劳行为。由于晶须具有高强度、高模量及高熔点等优异性能，利用晶须增强玻璃陶瓷是强韧化技术研究和应用的热点之一。牙科用玻璃陶瓷复合材料生物材料作为一种新型的功能材料具有许多特殊的性能要求，目前的各种生物材料虽然在一定程度上满足了其性能上的要求，并且有的已进入临床应用的试验阶段，但均有明显的不足。例如金属材料的生物惰性难以保持其长久有效性；生物陶瓷材料的脆性使其难以满足强度等性能的要求；作为牙科材料更具有特殊的性
