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Al2O3陶瓷材料介紹說明
Al2O3陶瓷作為常見陶瓷材料,既具有普通陶瓷耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度等特點,又具備優良的抗氧化性、化學穩定性、低密度等特性,且來源廣泛,價格便宜。因此,在航空航天、國防軍工、機械、電子、、化工等領域得到了廣泛應用。但純Al2O3陶瓷材料的韌性很差,室溫下的斷裂韌性只有3MPam1/2左右,這又制約了其優良性能的發揮和實際應用。金屬材料具有良好的韌性、導熱、導電等特性,但密度大,硬度低,耐蝕及耐磨性相對較差。據統計,世界鋼產量的1/10因腐蝕而損失,我國每年材料磨損損失近150億元。因此,改善Al2O3陶瓷材料脆性(即增韌技術)的研究,以及利用Al2O3陶瓷耐蝕、高硬、耐磨等特性,以其作為增強體的金屬基復合材料的研究與制備,成為當今開發Al2O3陶瓷材料的兩大主題。本文從Al2O3陶瓷增韌技術和Al2O3陶瓷增強金屬基復合材料兩方面,結合近年來國內外研究成果,對Al2O3陶瓷材料的研究現狀進行了介紹,并分析了其未來的發展趨勢。
耐磨Al2O3陶瓷/金屬復合材料
鎂、鋁合金是常用中、低溫結構材料,但兩者耐磨性較差,Al2O3陶瓷增強是改善兩者耐磨性的常用方法,Al2O3陶瓷顆粒增強鋁合金和短纖維增強鎂合金均取得不錯成效。但鎂、鋁合金熔點較低,不宜用于高溫(>1000)耐磨材料。鋼鐵材料價格便宜,熔點高,是較理想的選擇。但Fe與Al2O3陶瓷的潤濕性較差,潤濕角在1550時約為140,導致兩者界面結合力較弱,將制約復合材料耐磨性能的發揮。
但在摩擦磨損過程中,顆粒或短纖維增強金屬基復合材料中的Al2O3增強體易從基體中拔出、脫落,而使摩擦性能不穩定。三維網絡Al2O3陶瓷/金屬復合材料地改善了該狀況:其金屬相與陶瓷相各自具有空間連續性,摩擦過程中陶瓷相不易脫落;硬質Al2O3在磨損表面形成微凸體并起承載作用,結構互鎖了金屬基體的塑性變形和高溫軟化,減輕了黏著磨損,因此摩擦性能優于顆粒或短纖維增強材料,這一點Imbeni等曾給予證明。
鋁合金熔點低,制備網絡Al2O3/鋁合金復合材料一般采用擠壓鑄造(壓力浸滲法)。鋼鐵熔點高,普通金屬模具難滿足要求,故不宜采用壓力浸滲,而選擇無壓浸滲;此外,鐵液與Al2O3陶瓷不潤濕,不能形成毛細現象,又限制了無壓浸滲過程。對此,Lemster等，將活性Ti與CaCl2,KCl,NaCl等鹽混合后熔敷在Al2O3網絡陶瓷預制體表面,無壓浸滲液態鐵基合金取得了較好的效果。專利CN1727096提出了分鑄造的方法:熔滲金屬置于高溫加熱層,電鍍或包覆金屬處理的Al2O3網絡陶瓷骨架置于低溫加熱層的金屬模具(表面涂覆陶瓷耐熱層)中,利用真空氣壓鑄造法制備了網絡Al2O3/鋼鐵復合材料。
采用經濟的方法也改善了兩者浸滲和結合狀況:將Ni粉與Al2O3陶瓷粉球磨、壓制、燒結成Ni/Al2O3復相陶瓷預制體,在1600下利用Fe基合金液無壓浸滲該預制體。陶瓷內的熔態Ni在Al2O3陶瓷表面形成微熔池,在其內部形成三維連續Ni液通道,并與合金液發生互溶擴散,誘導合金液浸滲到陶瓷內部。所制備的鐵基合金/Al2O3陶瓷復合材料界面結合強度超過60MPa(抗拉強度),在Ni的誘導作用下,鐵基合金液的浸滲距離超過400m。
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