晶須增強陶瓷

晶須增強陶瓷60年代末期研製的一種新型陶瓷基複合材料。已經使用的主要增強體有SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、AlN晶須及其混合物等，其形態為桿狀和針狀，直徑一般<30um，長徑比一般<200；基體主要有Al₂O₃、Si₃N₄、SiC、莫來石、SiO₂等。晶須體積含量一般<40%。突出的性能特點是提高了陶瓷的韌性，其斷裂韌度比陶瓷提高2~5倍，熱震抗力明顯改善，耐高溫，且性能分散度大大減少。以Al₂O₃-SiC_w為代表，在Al₂O₃基體中加入20vol%SiC晶須，其彎曲強度可達650~800MPa，斷裂韌度8.5~11.0MPam^1/2。其特點是高溫下(<1000℃)仍能保持高的韌性，而相變增韌陶瓷在400~600℃時斷裂韌性就急劇下降，可用來製造切削刀具等。

基本介紹

• 中文名：晶須增強陶瓷
• 外文名：whisker reinforced ceramics
• 主要增強體：SiC、Si3N4、Al2O3、AlN晶須
• 直徑：一般<30um
• 長徑比：一般<200
• 晶須體積含量：一般<40%

性能

晶須增強陶瓷基複合材料的性能比短纖維增強陶瓷基複合材料優越，它具有較好的斷裂韌性、優異的耐高溫蠕變性能、均一的強度以及較高的耐磨損性和耐腐蝕性。但這類材料的斷裂韌性往往低於連續纖維增強的陶瓷基複合材料。碳化矽晶須的加入會使氮化矽的燒結變得更困難，引入燒結助劑後可改善其燒結性能，所得複合材料具有較高強度。但是燒結助劑在提高燒結性能的同時也帶來了副作用，形成了玻璃相，這種玻璃相在高溫下與晶須及基體間的結合強度都很低，且玻璃相本身的強度低，對晶須還有強烈的腐蝕作用，從而會造成晶須強度下降，因此對複合材料的高溫強度不利。一般情況下，該複合材料的強度和韌性隨碳化矽晶須含量的增加而提高。

成型方法

以晶須為增強體、陶瓷為基體，通過複合工藝製得的新型陶瓷材料。它既保留了陶瓷基體的主要特性,又通過晶須的增強增韌作用，改善了陶瓷基體的性能。材料可以用外加晶須與基體原料混合、成型、燒結而成(稱外加晶須補強陶瓷基複合材料)；也可以在一定溫度下熱處理，使坯體內部生長出晶須，然後燒結而成(稱原位生長晶須補強陶瓷基複合材料)，前一種工藝容易控制晶須含量，但難以清除晶須團聚現象，後者可以實現晶須均勻分布，但含量難以精確控制。合理的界面狀態有利於發揮晶須作用，獲得優越性能。晶須增強陶瓷基材料比單一陶瓷材料性能好，但價格相對較高，主要用於國防工業航空航天以及精密機械零件等方面。

種類

纖維增強複合材料可以看作是在基體相中均勻分布著多晶纖維或晶須。這類材料套用很廣，如塑膠基複合材料（玻璃纖維增強尼龍、增強聚丙烯、增強苯乙烯等）。橡膠基複合材料（合成纖維或玻璃纖維增強橡膠等）和金屬基複合材料（硼纖維或碳纖維增強鋁等）。纖維（晶須）增強陶瓷複合材料則是同陶瓷作基體相的一種新型材料。如氮化物纖維增強氧化鋁、碳化矽連續纖維增強氮化矽、碳纖維增強氮化矽等複合材料。

無機纖維的性質和製法目前所用的無機纖維有多晶纖維、複合纖維和單晶纖維（即晶須）。它們是由高溫氧化物或難熔的非氧化合物組成的。多晶纖維有玻璃纖維、石英纖維、矽酸鋁纖維、碳素纖維、硼纖維、氧化物纖維、氮化物纖維和碳化物纖維等。複合纖維有SiC纖維、BC纖維，單晶纖維（晶須）是直徑僅為幾微米的單晶體，包括陶瓷晶須和金屬晶須。增強纖維材料應具有高的比強度和比彈性率。它們的性質與纖維材料的種類、晶體結構（單晶或多晶體）以及纖維的斷面積和長度等因素有關。

無機纖維的製法

(1)從熔體中直接製造纖維的方法。這種方法是在電弧爐或電阻爐中將原料熔化後，再用橫向氣流吹絲製成纖維。玻璃纖維、矽酸鋁纖維即是用這一方法製取的。

(2)原料纖維熱分解的方法。例如，碳纖維材料就是用天然纖維或合成纖維（如聚丙烯腈）經過熱裂解後製得的。碳纖維的機械性質與熱裂解溫度密切相關，1500～1600℃進行熱裂解可達到強度的最大值。

(3)化學氣相沉積的方法(CVD法)。這種方法常用於製取碳化物、氮化物和硼纖維等材料。陶瓷材料在外加負荷作用下，容易在裂紋尖端處產生應力集中，並因裂紋迅速擴展，呈現脆性斷裂。而在纖維增強陶瓷複合材料中，主要載荷由增強纖維所承受，且當裂紋擴展遇到纖維時，纖維即可把剩餘的能量吸收掉，阻止裂紋的延伸，從而提高了陶瓷基體的強度和韌性。