氧化铝/碳化硅/莫来石陶瓷的制备及其性能研究

赵国庆

济南圣泉集团股份有限公司      山东省济南市   2500000

摘要：陶瓷材料的强度和韧性的提升已成为当今陶瓷领域的重中之重，特别是在当今快节奏的工业生产中，对于陶瓷的耐磨、耐热、耐腐蚀等特性的需求日益增长。为了满足这些需求，Sub-I们在观察复合陶瓷断口形态时，发现了基体晶粒的细化、晶界的加固以及断口模式的变化，这些都成为了陶瓷材料的强化和增韧的重要因素。本文主要探讨了氧化铝/碳化硅/莫来石陶瓷的制备及其性能研究。

关键词：复合陶瓷，陶瓷制备，性能研究

随着科技的飞速发展，各个领域，如机械、电子、航空、航天和能源，都越来越重视材料的耐久性、抗腐蚀性和抗高温特性。传统的金属和高分子材料已经无法满足当今的需求，而陶瓷材料却拥有卓越的性能，可以满足当今的各种应用场景。然而，由于陶瓷材料自身的脆弱特性，它的实际应用受到了很大的限制。因此，如何提升它的抗压、抗拉、抗折、抗压强度以及提升它的可靠性，已经成为决定它是否能够被普遍使用的关键。

一、先进陶瓷研究现状

虽然陶瓷拥有卓越的耐热性、超强的硬度、卓越的抗化学腐蚀能力以及多种物理特性，但由于其脆弱的结构，使得它无法与金属相媲美，也没有可滑移的位错系统，因此无法抵御外部的能量，这是一个不容忽视的问题。随着外界能量的增加，陶瓷材料会遭受持续的腐蚀，从而使得它们的表面结构发生改变，甚至有可能出现严重的损伤。因为陶瓷材料的脆性，提升它们的强度和耐久性已经成为当今陶瓷学家们的首要任务。多相复合陶瓷是一种由多种不同类型的陶瓷组合而成的复合材料，包括纤维（或晶须）增强的陶瓷、两相颗粒弥散的陶瓷、自补强的陶瓷、陶瓷和表面梯度陶瓷。氮化硅基复相陶瓷具有极高的强度，其抗拉强度高达1Gpa，抗压强度更是超过10Mpa，并且在高温下仍然保持在1400℃。碳化硅表面梯度复相陶瓷具有极低的强度和极大的断裂韧性，使其在极端环境下的耐热性能达到了惊人的1400℃，而且这种性能仍然保持稳定。目前，两种高温结构材料已被证明是最适合应用于空气中的，其中以陶瓷发动机的性能表现最佳。通过改进莫来石基复合陶瓷的结构和材料，我们可以显著提升其强度和断裂韧性，并保证其热稳定性。当温度升至1000℃时，其强度和断裂韧性均能达到7Mpa或更高，因此，这种特殊的陶瓷材料已经被广泛用于制造高温发动机的零部件。

二、氧化铝/碳化硅/莫来石陶瓷的制备

多晶复合材料的性能受到其化学组成和显微结构的双重影响，这种影响可以通过改变它们的特征来实现。完成配方、成型等工序后，烧结是一个关键步骤，它可以使材料获得期望的微观结构，并赋予材料各种性能。通过高温烧结，陶瓷制品可以变得更加紧密。

2.1常压烧结

当温度达到1200°C时，常压烧结技术就可以利用压力成型的方法，将原材料的粉末精确地塑造成特定的形状，然后再经过高温烧结，最终获得紧实的烧结试件。通过采用不同的环境参数，如室温、高温、低温、低氮等，可以实现多种不同的常压烧结工艺。通常，普通陶瓷材料需要在高温高压的环境中烧制，而在室温下的常压烧制则是最常见的制作方式。烧结法是一种广泛应用的技术，可以将不易在室温下烧结的材料，比如玻璃、金属、非金属等。通过将适当的气体加入到炉子中，我们能够调节出适宜的温度，从而让产品在最佳的工艺环境中完成熔炼。通过采用这项技术，可以有效地阻止陶瓷材料在高温下氧化，从而显著提升烧结制品的紧密程度。通过常压烧结，可以让坯料在较低的空气压力下进行自发性的熔化。在缺乏外界推动的情况下，材料会被加热至一定的常压烧结温度，以达到最终的成型。

2.2热压烧结

通过将粉末放入特定的模具中，并施加一定的压力，将其加热至适当的烧结温度，可以迅速地将其烧结成紧实、均匀的产物。通过高温加工，可以使材料的颗粒发生重组，并产生塑性流动、晶界滑移、应力诱导孪晶形成、蠕变，最终形成体积扩散和重结晶。通过热压烧结，可以将压力和表面能量有机结合，从而大大降低陶瓷烧结温度，提升烧结体的密实度和强度。通过热压烧结，我们可以大幅提高材料的塑性和成型能力。这种方法不仅能够降低变形阻力，还能让材料的密度增加，晶粒更细小，结合紧密，显微组织也会得到优化。烧结是一种复杂的工艺，其中，表面张力是物质传输的主要驱动力，但是，外部的压力、温度、湿度等物理或化学条件也可能影响着整个工艺流程。一般来说，物质的致密化可能涉及多种机制，如流体传输、分子间的扩散、气体的凝聚和溶解、沉淀等。

三、陶瓷性能分析

3.1陶瓷物相分析

当烧结温度超过1300℃时，复合陶瓷烧结体中的组成成分完全一致，由刚玉、莫来石和碳化硅组成。在这种材料中，刚玉是主要的成分，而莫来石的含量取决于烧结温度以及添加到原材料中的碳化硅的数量。随着碳化硅的比例增加，X射线衍射谱显示莫来石的峰值也会有所提升，这说明，在保持温度和碳化硅比例不变的情况下，随着常压烧结温度的升高，

莫来石的衍射峰值也会有所增强，这说明，提高烧结温度有助于莫来石的形成。经过实验证明，莫来石的最佳形成温度超过了1100℃。

3.2陶瓷的相对密度与碳化硅含量的关系

原始粉体中加入同一碳化硅质量百分含量、常压烧结条件下获得的复合陶瓷的相对密度随着常压烧结温度从1300°C升高到1400°C时，复合陶瓷的相对密度也相应地随之升高。在同一烧结温度下，随着原始粉体中加入的碳化硅质量百分数的增加，所得复合陶瓷的相对密度稍有增加，但增大的幅度不明显。随着碳化硅的含量从5%增加到20%，真空热压烧结后所得的复合陶瓷的相对密度逐渐增加。当碳化硅的百分比增加时，它们在复合粉体中的氧化层会与周围的氧化铝颗粒产生化学反应，形成大量的莫来石相液相，进一步促进了烧结的传热和热分解。

3.3力学性能

当碳化硅含量增加时，复合陶瓷材料的三点抗弯强度会先上升，然后又开始下降，这种情况也适用于韧性材料。经过常压烧结工艺，即将碳化硅含量提升至1400℃，并且维持一定的保温时间，复合陶瓷材料的三点抗弯强度将会达到极限，甚至超过760Mpa。根据研究，复合陶瓷的三点抗弯强度与加入的碳化硅含量成正比。但是，当烧结温度上升时，这一比例会开始下降。在1300℃到1600℃之间，碳化硅含量的增加会导致复合陶瓷的三点抗弯强度增加，并且增长的速度是最快的。在1600℃之后，增长的速度开始放缓，并被完全控制。由于复合陶瓷粉体的强度逐渐减弱，因此，在采用常压烧结工艺制备复合陶瓷粉体时，应将其烧结温度控制在1400℃至1500℃之间，以获得最优的强度。

3.4复合陶瓷的应力分析

通常，当我们将具有不同膨胀系数和弹性模量的晶体颗粒添加到陶瓷材料中时，在烧制过程中，由于热膨胀和弹性模量的差异，会导致界相产生各种应力。当陶瓷材料面临外力的压力时，它的裂缝会发生变化。第一种情况是，当裂缝的压力超过了它的应力范围，它会对裂缝的长度造成一定的影响，导致它的长度变短，最终导致裂缝的停止；当主裂纹受到外加应力的影响，其应力水平会发生变化，当主裂纹受到张应力或剪切应力时，就会出现裂纹，这会导致应力在主裂纹尖端聚集，并产生偏转，这样就会产生一种能量的传递、转移和消耗，以提高陶瓷材料的强度和韧性。

四、总结

多相复合陶瓷技术已经成为当今陶瓷材料研究的一个重要方向，其制备过程涉及到粉末制备、成型、烧结等多个步骤，而且纳米陶瓷材料的理论也在不断发展，但仍存在着许多挑战和难题需要解决.因此，在对新兴复合陶瓷氧化铝/碳化硅/莫来石的研究过程中，还有许许多多的工作要做，但随着研究工作的不断深入，复合陶瓷材料离实际应用的领域也将越来越近，多相复合陶瓷在不久的将来必有广阔的应用前景。

参考文献：

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