Al2O3陶瓷材料介绍说明

Al2O3陶瓷作为常见陶瓷材料,既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度等特点,又具备优良的抗氧化性、化学稳定性、低密度等特性,且来源广泛,价格便宜。因此,在航空航天、国防军工、机械、电子、、化工等领域得到了广泛应用。但纯Al2O3陶瓷材料的韧性很差,室温下的断裂韧性只有3MPam1/2左右,这又制约了其优良性能的发挥和实际应用。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。据统计,世界钢产量的1/10因腐蚀而损失,我国每年材料磨损损失近150亿元。因此,改善Al2O3陶瓷材料脆性(即增韧技术)的研究,以及利用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,成为当今开发Al2O3陶瓷材料的两大主题。本文从Al2O3陶瓷增韧技术和Al2O3陶瓷增强金属基复合材料两方面,结合近年来国内外研究成果,对Al2O3陶瓷材料的研究现状进行了介绍,并分析了其未来的发展趋势。
 

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,Al2O3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(>1000)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陶瓷的润湿性较差,润湿角在1550时约为140,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。
 

但在摩擦磨损过程中,颗粒或短纤维增强金属基复合材料中的Al2O3增强体易从基体中拔出、脱落,而使摩擦性能不稳定。三维网络Al2O3陶瓷/金属复合材料地改善了该状况:其金属相与陶瓷相各自具有空间连续性,摩擦过程中陶瓷相不易脱落;硬质Al2O3在磨损表面形成微凸体并起承载作用,结构互锁了金属基体的塑性变形和高温软化,减轻了黏着磨损,因此摩擦性能优于颗粒或短纤维增强材料,这一点Imbeni等曾给予证明。
 

铝合金熔点低,制备网络Al2O3/铝合金复合材料一般采用挤压铸造(压力浸渗法)。钢铁熔点高,普通金属模具难满足要求,故不宜采用压力浸渗,而选择无压浸渗;此外,铁液与Al2O3陶瓷不润湿,不能形成毛细现象,又限制了无压浸渗过程。对此,Lemster等，将活性Ti与CaCl2,KCl,NaCl等盐混合后熔敷在Al2O3网络陶瓷预制体表面,无压浸渗液态铁基合金取得了较好的效果。专利CN1727096提出了分铸造的方法:熔渗金属置于高温加热层,电镀或包覆金属处理的Al2O3网络陶瓷骨架置于低温加热层的金属模具(表面涂覆陶瓷耐热层)中,利用真空气压铸造法制备了网络Al2O3/钢铁复合材料。
 

采用经济的方法也改善了两者浸渗和结合状况:将Ni粉与Al2O3陶瓷粉球磨、压制、烧结成Ni/Al2O3复相陶瓷预制体,在1600下利用Fe基合金液无压浸渗该预制体。陶瓷内的熔态Ni在Al2O3陶瓷表面形成微熔池,在其内部形成三维连续Ni液通道,并与合金液发生互溶扩散,诱导合金液浸渗到陶瓷内部。所制备的铁基合金/Al2O3陶瓷复合材料界面结合强度超过60MPa(抗拉强度),在Ni的诱导作用下,铁基合金液的浸渗距离超过400m。

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