1、關于陶瓷復合材料和新材料的研究現狀和發展趨勢摘要：本文闡述了陶瓷基復合材料的現狀和發展趨勢，主要內容有:陶瓷基復合材抖的發展和應用前景；纖維材料,多種陶瓷基體材料的韌化研究;陶瓷基復合材抖的制備加工技術;陶瓷增韌的力學機理和材料結構性能的研究情況；陶瓷基復合材料的進一步發展。同時對新材料及其各種加工工藝進行了綜述性分析，具體為：納米技術與納米材料；成形加工與定向凝固；快速凝固技術和材料；晶體生長技術； 金屬基復合材料制備技術； 生物復合涂層制備技術；先進材料制備加工技術發展趨勢。Abstract: This paper expounds the present situation and de

2、velopment trend of ceramic matrix composites. The main contents of the paper includes: The development and the application of the ceramic matrix composite material; Fiber materials, The variety of toughening ceramic matrix materials research; The preparation of ceramic matrix composite technology; T

3、he mechanism of the ceramic toughening and the property of the material; The further development of ceramic matrix composites. Meanwhile, the summarized analysis of the new materials and their processing technology. The details are as follows: The nanotechnology and the nanomaterials; The molding pr

4、ocessing and the directional solidification; The rapid solidification techniques and materials; The crystal growth technique; The preparation of the metal matrix composites; The biological composite coating preparation technology; The developing trend of the preparation processing technology of the

5、advanced materials .1、陶瓷復合材料1.1 陶瓷復合材料概況陶瓷基復合材料(CMC),一般是指相變增韌、顆粒增韌陶瓷和纖維及晶須增韌陶瓷材料。這是目前備受重視的新型耐高溫結構材料。與常規材料和非陶瓷復合材料相比,陶瓷材料有耐高溫、抗腐蝕、超硬度等優點.因此世界各國都把結構陶瓷看作是對未來工業革命有重大作用的高衣術新材料而給以重點研究和發展,并相繼開展了陶瓷汽車發動機、柴油機和航空發動機等大規模高溫陶瓷熱機研究計劃,出現了陶瓷熱。然而,常規結構陶瓷還存在缺陷和問題,主要是材料脆性,可靠性不高等,應用于陶瓷發動機結構還有一些技術間題,急待研究解決。陶瓷基復合材料引起人們關注的重

6、要原因就在于它可改善陶瓷基體材料的力學性能,特別是脆性,因此,陶瓷基復合材料的發展和研究將成為大規模陶瓷熱機研究計劃取得成功的關鍵。1.2陶瓷復合材料分類陶瓷復合材料的組分可分為增強體和基體兩部分。增強體研究主要是高性能纖維和晶須的研制,這是各種陶瓷基復合材料發展的基礎條件。按照陶瓷材料的增韌可以分為碳化物陶瓷、氮化物和硼化物陶瓷、氧化物陶瓷和玻璃基材料。1.2.1碳化物陶瓷最早出現的韌化SIC材料是顆粒增強SIC材料“Norce-33”,被用于電火花機床中。其它碳化物復合材料還有:SCI化學氣相沉積(CVD)纖維增強結構;碳/碳化硅混合材料和碳/碳復合材料;顆粒增強材料:碳化欽顆粒增強碳化硅

7、,它可以提高斷裂韌度和強度,碳化欽與陶瓷相混合還可以改進抗氧化性能;氧化被/碳化硅也是顆粒增強材料,它可用來制作微電路基片.1.2.2氮化物和硼化物陶瓷SIC纖維和晶須增強Si3N4陶瓷可以得到斷裂韌性提高,加入添加劑如CeO2、BN等還可以改進抗熱沖擊性能和熱性能。氧化錯顆粒增強氮化硅也獲得一定的成功。1.2.3氧化物陶瓷增韌氧化鋁、氧化錯陶瓷是這類材料中最令人感興趣的材料。增韌氧化鋁有SIC晶/Al2O3基和SIC纖維/ Al2O3。基復合材料;氧化錯顆粒增強氧化鋁,它的高溫性能比相變增韌氧化錯更好,因而成為無冷卻柴油發動機最有發展前途的材料之一:此外還有研究加入鉆石增強Al2O3陶瓷的情

8、況。1.2.4玻璃基材料玻璃和玻璃陶瓷基材料可以與纖維復合,其原因在于它易于熱壓加工成形。Nica-lon纖維增強玻璃陶瓷基材料的力學性能很好,加工制備成本還可以降低,這種復合材料很可能在陶瓷發動機結構中得到應用。1.3 陶瓷復合材料的制備及燒結工藝1.3.1溶膠凝膠(Sol-Gel)法溶膠凝膠技術是指金屬有機物或無機化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化,再經過加熱處理生產氧化物或其他化合物固體的方法.在制備陶瓷工藝中也稱為SSG法.它是制備陶瓷復合材料的一種較新的方法,通過把各種添加劑、功能有機物或分子、晶種均勻分散在凝膠基質中,加熱處理后,此均勻分布狀態仍能保存下來.該法的優點是復合材料的均勻性

9、好,加工溫度低.1.3.2化學氣相浸漬法(CVI). CVI法是把反應物氣體浸漬到多孔預制件的內部,發生化學反應并進行沉積,從而形成陶瓷復合材料.CVI工藝中最具有代表性的方法有等溫CVI法(ICVI)和熱梯度強制對流CVI法(FCVI).ICVI法又稱靜態法,是將被浸漬的部件放在等溫的空間,反應物氣體通過擴散入到多孔預制件內,發生化學反應并沉積,而副產物氣體再通過擴散向外散逸.通過降低氣體的壓力和沉積溫度提高浸漬深度,在沉積過程中通過對部件的表面加工處理來提高復合材料的致密度.該法工藝和設備簡單,目前被廣泛采用.FCVI是美國ORNL實驗室的研究者提出的一種動態的CVI法.具體做法是:在纖維

10、預制件內施加一個溫度梯度,同時不定期施加一個反向的氣體壓力梯度,迫使反應氣體強行通過預制體.FCVI的傳質過程是通過對流來實現的,因此可用于制作厚壁部件.1.3.3多相懸浮液混合法此法主要用于制取納米陶瓷.其主要過程是,根據膠體化學中穩定懸浮液的三種機制,即靜電(electrostatle)作用、空間位阻(steric)作用和電空間穩定(electrosteric stabilization),先制備各組元的單相懸浮液并加入分散劑,通過調節pH值和分散劑的加入量,使顆粒表面的分散劑達到飽和吸附值,然后優選出兩組元(或多組元)都具有良好分散性的混合懸浮液.將各單相懸浮液混合球磨,得到無效混合懸浮

11、液;其后體系絮凝、干燥,即可得到超細混合的粉體.1.3.4聚合物插層法聚合物插層法是制備高性能有機-無機納米復合材料的一種新方法.此法可進一步提高復合材料力學性能、耐熱性及氣、液阻隔性能.特別是聚合物(如聚酰亞胺、聚乙烯、環氧、聚胺酯等)與蒙脫石插層制成了不同類型的陶瓷復合材料.1.3.5原位復合法此法主要是利用化學反應生成增強組元-晶須或高長徑比晶體來增強陶瓷體的工藝過程.關鍵是在陶瓷基體中均勻加入可生成晶須的元素或化合物,控制其生成條件使其在陶瓷基體致密化過程中在原位同時生成晶須,形成陶瓷基化合物.本方法最大的優點是可以降低成本和對環境的污染.1.3.6反應燒結(RBAO)法反應燒結法是先

12、將混合均勻的組分壓成素坯,在隨后的燒結過程中各組分之間或組分與燒結氣氛之間發生化學反應,獲得預期設計組成的復相陶瓷.1.3.7有機物先軀體熱解法近年來,采用有機先軀體制備復合材料粉體的研究有很大進展,用熱解有機先軀體聚硅氮烷(PNS)工藝制取穩定的、分布均勻的Si-C-N復合粉體,經反復燒結獲得Si3N4/SiC(n)陶瓷.1.3.8高溫等靜壓(HIP)法高溫等靜壓法屬于熱壓燒結的一種,HIP法和一般熱壓法相比,HIP法使物料受到各向同性的壓力,因而陶瓷的顯微結構均勻,同時,使得材料的密度增大,氣孔減小,疏松減少,抗彎強度也有所增加.如用HIP法處理過的Ba2Ti9O20,其致密度達到99%.

13、另外,HIP法中施加壓力高,這樣就能使陶瓷坯體在較低的溫度下燒結,使常壓下不能燒結的材料有可能燒結. 1.4陶瓷復合材料的現狀和發展趨勢陶瓷基復合材料具有重大應用價值,它的工業化應用將對高溫熱機、航空航天工業和軍事應用領域產生重大影響。在改進陶瓷脆性方面發展了幾種有效的方法,但研制工作還不夠深入,相變、纖維及晶須增韌陶瓷無論在材料制備、性能分析和結構應用等諸方面都還存在間題。纖維/陶瓷復合材料的發展主要取決于其制備技術和高性能纖維增強體的發展。晶須增韌陶瓷的優點在于其制備技術相對較成熟,利用這種陶瓷復合材料進行陶瓷熱機結構應用是可行的,進一步的問題是怎樣提高和穩定其力學性能,需加強力學研究工作

14、。新的發展趨勢是綜合各種增韌機制,發展混雜增韌陶瓷,如晶須加入到TZP陶瓷中去,和晶須與纖維,纖維與纖維混雜增韌陶瓷復合材料。研究工作已經表明CMC材料性能的優越性,但目前仍需在材料、力學等方面做好扎實的基礎工作,更需要改進工藝,.降低成本,否則仍將是一種自我欣賞的材料。我國在陶瓷基復合材料研究領域已有一定的實力，雖然與國外相比尚有差距,但就發展的勢頭來看是很令人鼓舞的,只要注拿集中力量,解決好應用與研究、分工與協作等關系,我們是可以在材料,力學分析,以及應用領域取得更大的突破，加入國際先進行列。2. 新材料2.1 新材料概況新材料（或稱先進材料）是指那些新近發展或正在發展之中的具有比傳統材料

15、的性能更為優異的一類材料。新材料按材料的屬性劃分，有金屬材料、無機非金屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導體等）、有機高分子材料、先進復合材料四大類。按材料的使用性能性能分，有結構材料和功能材料。結構材料主要是利用材料的力學和理化性能，以滿足高強度、高剛度、高 硬度、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的電、磁、聲、光熱等效應， 以實現某種功能，如半導體材料、磁性材料、光敏材料、熱敏材料、隱身材料和制造原子彈、氫彈的核材料等 。 新材料技術是按照人的意志，通過物理研究、 材料設計、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，創造出能滿足各種需要的新型材料的技術。新材料與傳統材料之間并

16、沒有截然的分界，新材料在傳統材料基礎上發展而成，傳統材料經過組成、結構、設計和工藝上的改進從而提高材料性能或出現新的性能都可發展成為新材料。因此，某種材料是否屬于新材料，主要是依據國際或國家的相關技術標準，結合與傳統材料的比較來加以界定。傳統材料經過先進制備與加工控制發展成為先進材料（或新材料）。2.2新材料制備技術2.2.1納米技術與納米材料納米科技中的“納米”為10-9m,是1毫米的百萬分之一。原子的直徑在0.1- 0.3個納米之間。研究小于10-10m以下的原子內部結構屬于原子核物理、粒子物理的范疇。納米科技是指在納米尺度( 1nm 到100nm 之間)上研究物質(包括原子、分子的操縱)

17、的特性和相互作用,以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術。制造納米材料的方法很多, 有物理方法, 例如: 真空冷凝法、UDS 法、機械粉碎法、電火花爆炸法、機械球磨法等。化學方法, 例如：氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠法、微乳液法等。目前, 國際上已商品化的納米材料有：(1) 納米顆粒型材料。作為磁記錄介質的納米磁性顆粒, 與普通磁帶比具有高密度、低噪音、高信噪比等優點, 而納米催化劑可以使有機物氯化反應的效率達到傳統催化劑的10 倍以上。(2) 納米固體材料。用納米顆粒材料壓制成型的納米陶瓷渦輪機, 耐高溫、耐腐蝕性能可以提高5倍。(3) 納米顆粒膜材料。顆粒膜傳感器高靈敏度、

18、高響應速度、高精度、低能耗和小型化。(4) 納米磁性液體材料。美、日等國生產的磁性液體可用于旋轉軸動態密封, 可制造各種阻尼器件, 生產磁性液體發電機和磁性顯示器等。2.2.2材料的成形加工與定向凝固金屬材料的制備、成形與加工技術決定著國民經濟支柱產業與國防現代化建設的整體技術水平。在凝固技術基礎上發展起來的材料制備與加工中的一些先進技術(快速凝固、定向凝固、連鑄連軋、半固態加工、熱等靜壓和數值模擬等）迅速進入工業應用。先進材料的誕生與發展幾乎無一例外地得益于材料制備和加工技術的進步, 如復合材料, 非晶、準晶、微晶及納米晶材料, 金屬間化合物, 磁性材料, 超導材料, 等等。發展了多種凝固新

19、技術, 成為材料制備與加工成形的新方向。如：（1)超細柱晶定向凝固技術, 使定向凝固組織細化了一個數量級, 性能提高30%左右。在此基礎上發展的電磁約束成形技術, 為先進“控形控性(控制組織)”一體化成形技術的突破打下良好基礎。(2)調壓鑄造成形技術, 利用了真空充型、高壓凝固的思路, 同時解決了超薄壁復雜鑄件的成形及致密度控制等控性問題。圍繞該技術, 并利用半固態、固態變形, 進一步進行材料改性, 可望形成“控形控性(控制組織) 控制成本控制污染”一體化的新技術。(3)液態金屬深過冷快速凝固、快速冷卻等控制凝固過程研究也已處于國際前沿, 成為發展先進材料非平衡制備技術的工作基礎。2.2.3快

20、速凝固技術和材料快速凝固通常是指以大于105K/s級的冷卻速度、以數米秒級的固液界面前進速度使液相凝固成固相。快速凝固可以制備亞穩相、微晶、納米晶、非晶、準晶。快速凝固工藝包括：（1）霧化法，該法是用高速氣流打擊金屬液流，或在離心力作用下，使金屬液霧化為十分細小的熔滴顆粒，最后快凝成粉末，收集快冷金屬粉末經篩分后用擠壓等方法成型。（2）液態急冷法，把金屬液噴到急冷板或轉動的輥輪上，快速凝固成很薄的金屬箔或絲材。用這種方法，液流可以噴到輥輪的內表面或外表面，或板帶的外表面。（3）束流表層急冷法，用激光束、電子束或離子束對金屬表面進行快速熔凝。2.2.4晶體生長技術晶體生長技術包括：（1）氣相生長

21、，包括升華法耗費外延法。升華法是指固體在升高溫度后直接變成氣相，而氣相到達低溫區又直接凝成晶體，整個過程不經過液態的晶體生長方式。有些元素砷、磷及化合物ZnS、CdS等,可以應用升華法而得到單晶。外延法又名取向附生，它是指在一塊單晶片上再生長一層單晶薄層,這個薄層在結構上要與原來的晶體(稱為基片)相匹配外延可分為同質外延和異質外延。像半導體材料的硅片再外延一層硅是屬同質外延；如果在白寶石基片上外延硅，那就是異質外延了。外延生長的方法，主要有氣相外延和液相外延，也還有分子束外延等。（2）溶液生長，溶液生長晶體的主要原理是使溶液達到過飽和的狀態而結晶。最普通的有下述兩個途徑：根據溶液的溶解度曲線的

22、特點升高或降低其溫度；采用蒸發等辦法移去溶劑,使溶液濃度增高。當然也還有其他一些途徑,如利用某些物質的穩定相和亞穩相的溶解度差別，控制一定的溫度，使亞穩相不斷地溶解，穩定相不斷地生長等。廣泛的溶液生長包括水溶液、有機和其他無機溶液、熔鹽和在水熱條件下的溶液等。最普通的是由水溶液中生長晶體。具體有三種方法：水溶液法、水熱法、助熔劑法。（3）熔體生長，包括提拉法、坩堝下降法、區熔法和焰熔法。提拉法是由熔體生長單晶的一項最主要的方法，被加熱的坩堝中盛著熔融的料，籽晶桿帶著籽晶由上而下插入熔體，由于固液界面附近的熔體維持一定的過冷度、熔體沿籽晶結晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶。坩堝下降法是將盛

23、滿材料的坩堝置放在豎直的爐內，爐分上下兩部分，中間以擋板隔開，上部溫度較高，能使坩堝內的材料維持熔融狀態，下部則溫度較低，當坩堝在爐內由上緩緩下降到爐內下部位置時，材料熔體就開始結晶。坩堝的底部形狀多半是尖錐形，或帶有細頸,便于優選籽晶,也有半球形狀的以便于籽晶生長。晶體的形狀與坩堝的形狀是一致的，大的堿鹵化合物及氟化物等光學晶體是用這種方法生長的。區熔法是將一個多晶材料棒，通過一個狹窄的高溫區，使材料形成一個狹窄的熔區，移動材料棒或加熱體，使熔區移動而結晶，最后材料棒就形成了單晶棒。焰熔法是這個方法的原理是利用氫和氧燃燒的火焰產生高溫，使材料粉末通過火焰撒下熔融，并落在一個結晶桿或籽晶的頭部

24、。由于火焰在爐內形成一定的溫度梯度，粉料熔體落在一個結晶桿上就能結晶。2.2.5金屬基復合材料制備技術金屬基復合材料制造技術是影響金屬基復合材料迅速發展和廣泛應用的關鍵問題。金屬基復合材料的性能、應用、成本等在很大程度上取決于金屬基復合材料的的制造方法和工藝。然而，金屬基復合材料的制造相對比較復雜和困難。這是由于金屬熔點較高，需要在高溫下操作；同時不少金屬對增強體表面潤濕性很差，甚至不潤濕，加上金屬在高溫下很活潑，易與多種增強體發生反應。目前雖然已經研制出不少制造方法和工藝，但仍存在一系列問題。研究發展有效的金屬基復合材料制造方法一直是金屬基復合材料研究中最重要的問題之一。金屬基復合材料制備技

25、術包括固態制造技術、液態制造技術和新型制造技術。固態法是在基體金屬處于固態情況下，與增強材料混合組成新的復合材料的方法。其中包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓和拉拔法、爆炸焊接法等。液態法是在基體金屬處于熔融狀態下，與增強材料混合組成新的復合材料的方法。其中包括：真空壓力浸漬法。擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法等。新型制造方法包括：原位自生成法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、化學鍍和電鍍法及復合鍍法等。2.2.6生物復合涂層制備技術羥基磷灰石(HA)是人體和動物骨骼、牙齒的主要無機成分，具有良好的生物相容性和骨組織誘導性，植入人體后，能與人體骨骼組織

26、形成化學鍵合，因此被廣泛應用于鈦和鈦合金表面涂層，以增加鈦和鈦合金的表面生物活性。金屬基生物陶瓷涂層的制備方法有很多種，按照形成過程中的狀態可分為干法和濕法兩大類：干法是在氣相中進行各種反應和沉積，例如等離子噴涂法、熱噴涂法、激光熔覆法和離子束濺射法等；濕法是利用液相中發生各種反應從而在基材上沉積涂層的技術，如溶膠凝膠法、電化學沉積法等。按照制備涂層的厚度也可分為兩大類：一類方法制備出厚度相對較大的涂層(幾十至上百m)，例如等離子噴涂法、熱噴涂法、激光熔覆法；另一類則偏重于制備薄涂層(厚度在幾至十幾m)，例如離子束濺射法、脈沖激光沉積法、仿生礦化法等。2.3先進材料制備加工技術的發展趨勢材料加

27、工技術總體發展趨勢：（1）過程綜合，材料設計、制備、成形與加工一體化；多個過程(如凝固與成形)綜合化，或稱短流程化，如連續鑄軋技術。 （2）技術綜合，制備、成形、加工技術與計算機技術(計算機模擬與過程仿真)及信息技術綜合，與各先進控制技術綜合。（3）學科綜合，傳統三級學科(鑄造、塑性加工、熱處理和連接)之間的綜合，與材料物理化學、材料學等二級學科的綜合，與計算機科學、信息工程、環境工程等材料科學與工程學科以外的其他一級學科的綜合。金屬材料加工技術的主要發展方向：（1）常規材料加工工藝的短流程化和高效化。如半固態成形、連續鑄軋和連續鑄擠等是將凝固與成形兩個過程合而為一。（2）發展先進的成形加工技

28、術，實現組織與性能的精確控制。如應用等溫成形技術通過對成形加工過程和工藝參數(溫度、變形程度等)的精確控制，精確控制材料的組織與性能。（3）材料設計(包括成分設計、性能設計與工藝設計)、制備與成形加工一體化。這樣可以實現先進材料與零部件的高效、近終形、短流程成形。典型的技術有噴射成形、粉末注射成形和激光快速成形等。（4）開發新型制備與成形加工技術，發展新材料和新制品。如： 連續定向凝固成形技術、電磁約束成形技術。（5）發展計算機數值模擬與過程仿真技術，構筑完善的材料數據庫。可以優化成形加工方法和工藝，實現對制備、成形與加工全過程的精確設計與精確控制。（6）材料的智能制備與成形加工技術。綜合利用

29、計算機技術、數據庫技術和先進控制技術，開發將材料組織性能設計、零部件設計、材料制備與成形加工過程的實時在線監測和反饋控制融為一體的材料智能制備加工技術。先進材料是人類一切生產和生活水平提高的物質基礎，是人類進步的里程碑，先進材料的制備與加工控制是其應用和發展的必然過程和重要環節。先進材料是高新技術的基礎和先導，先進材料的發展會使我們的明天更美好！參考文獻1王聽,孫康寧.納米復合陶瓷材料研究進展J.復合材料學報,1999,16(1):2830.2李桂英,王大慶.聚酰亞胺/蒙脫石納米復合材料研究進展J.化學通報,2002,16(11):742744.3沃丁柱.復合材料大全M.北京:化學工業出版社,2002.25.4 E.C. Hammel, O.L.-R. Ighodaro, O.I. Okoli. Processing and properties of advanced porous ceramics: An application based review J. Ceramics International,2014,40(10):153511537