基本介紹
- 中文名：玻璃陶瓷基複合材料
- 外文名：glass-ceramics matrix composite
- 別名：微晶玻璃基複合材料
- 適用範圍：製造小型雷達天線罩等
- 相關：玻璃陶瓷
簡介,基本組成材料,工藝及套用,陶瓷基複合材料,成型方法,陶瓷材料的改性,陶瓷基複合材料界面的功能,
簡介
玻璃陶瓷基複合材料又稱微晶玻璃基複合材料。以玻璃陶瓷為基體，以陶瓷、碳、金屬等纖維，晶須、晶片為增強體，通過複合工藝所構成的複合材料。
基本組成材料
玻璃陶瓷基複合材料的基本材料主要有鋰鋁矽微晶玻璃(LAS，1000～1200℃)、鎂鋁矽微晶玻璃(MAS，1200℃)、鋇鎂鋁矽微晶玻璃(1250℃)、四元莫來石(約1500℃)和六方鋇長石(約1700℃)等。玻璃陶瓷基複合材料的力學性能特別是韌性比原基體材料確實有較大的提高。例如用連續纖維增強玻璃陶瓷其強度範圍為700～1000MPa·ml/2。而原基體材料的強度範圍為70～150MPa，斷裂功2～4J·m¯2，斷裂韌性為1MPa·m1/2以下。製造小型雷達天線罩、複合裝甲、耐腐蝕化學品容器、生物醫藥用容器和耐熱部件等。
工藝及套用
玻璃陶瓷基複合材料有泥漿體熱壓燒結法、基體擴散模壓法和擠壓法等成型工藝，可用於製造小型雷達天線罩、復台裝甲、耐腐蝕化學品容器、生物醫藥用容器和耐熱部件等。
陶瓷基複合材料
陶瓷基複合材料是以陶瓷為基體與各種纖維複合的一類複合材料。陶瓷基體可為氮化矽、碳化矽等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處於應力狀態時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而採用高強度、高彈性的纖維與基體複合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基複合材料。 陶瓷基複合材料已用作液體火箭發動機噴管、飛彈天線罩、太空梭鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術新材料的一個重要分支。
成型方法
陶瓷基複合材料的成形方法分為兩類：一類是針對陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強體，複合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結法等；另一類是針對碳、石墨、陶瓷連續纖維增強體，複合材料的成形工藝常採用粉末冶金法、料漿沒滲法、料漿浸潰熱壓燒結法和化學氣相滲透法。
(1)粉末冶金法，又稱為壓制燒結法或混合壓製法，廣泛套用於製備特種陶瓷以及某些玻璃陶瓷。方法是將作為基體的陶瓷粉末和增強材料以及加人的粘接劑混合均勻，冷壓製成所需形狀，然後進行燒結或直接熱壓燒結製成陶瓷基複合材料。前者稱為冷壓燒結法，後者稱為熱壓燒結法。熱壓燒結法時，在壓力和高溫的同時作用下，緻密化速度可得到提高，從而獲得無氣孔、細晶粒、具有優良力學性能的製品。但用粉末冶金法進行成形加工的難點在於基體與增強材料不易混合，同時，品須和纖維在混合或壓制過程中，尤其是在冷壓情況下容易折斷。
(2)料漿投滲法，將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料投密，乾燥後進行燒結。該方法與粉末冶金法的不同之處在於混合體採用漿料形式。其優點是不損傷增強體，工藝較簡單，無須模具；缺點是增強體在陶瓷基體中的分布不大均勻。
(3)料漿沒漬熱壓成形法將纖維或織物增強體置於製備好的剛瓷粉體漿料里浸漬，然後將含有漿料的纖維或織物增強體布成一定結構的壞體，乾燥後在高溫、高壓下熱壓燒結成為製品。料漿浸漬熱壓法的優點是加熱溫度比晶體陶瓷低，不易損傷增強體，層板的堆垛改序可任意排列，纖維分布均勻，氣孔率較低，獲得的強度高，工藝比較簡單，無須成形模其，能生產大型零件。缺點是不能製作形狀太複雜的零件，基體材料必須是低熔點或低軟化點的陶瓷。
(4)化學氣相滲透法，又稱CVI (Chemical Vapor Infitration)法，是將增強纖維編織成所需形狀的預成形體，並置於一定溫度的反應室內，然後通人某種氣源，在預成形體孔穴的纖維表面上產生熱分解或化學反應沉積出所需陶瓷基質，直至預成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高緻密度、高強度、高韌性的製件。
陶瓷材料的改性
由於陶瓷材料具備優良的耐磨性，並且硬度高、耐蝕性好，所以得到了廣泛套用。但是，陶瓷的最大缺點是脆性大，對裂紋、氣孔等很敏感。20世紀80年代以來，通過在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到的陶瓷基複合材料，使得陶瓷的韌性大大提高。陶瓷基複合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性，已用於高速切削工具和內燃機部件上。但這類材料發展較晚，其潛能尚待進一步發揮。研究重點是將其套用於高溫材料和耐磨、耐蝕材料，如大功率內燃機的增強渦輪、航空太空飛行器的熱部件以及代替金屬製造車輛發動機、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設備等。
陶瓷基複合材料界面的功能
界面是陶瓷基複合材料強韌化的關鍵,主要功能有以下幾點：
①脫黏偏轉裂紋作用。當基體裂紋擴展到有結合程度適中的界面區時，此界面發生解離，並使裂紋發生偏轉，從而調節界面應力，阻止裂紋直接越過纖維擴展。
②傳遞載荷作用。由於纖維是複合材料中主要的承載相，因此界面相需要有足夠的強度來向纖維傳遞載荷。
③緩解熱失配作用。陶瓷基複合材料是在高溫下製備的，由於纖維與基體的熱膨脹係數(CTE)存在差異，當冷卻至室溫時會產生內應力，因此，界面區應具備緩解熱殘餘應力的作用。
④阻擋層作用。在複合材料製備所經歷的高溫下，纖維和基體的元素會相互擴散、溶解，甚至發生化學反應，導致纖維/基體的界面結合過強。因此，要求界面區應具有阻止元素擴散和阻止發生有害化學反應的作用。
