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相對(duì)密度超 99.47% ！納米陶瓷復(fù)合材料——各領(lǐng)域的 “實(shí)力擔(dān)當(dāng)”
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-11-20 15:30:29
在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，新材料的研發(fā)與應(yīng)用不斷推動(dòng)著各個(gè)領(lǐng)域的變革與進(jìn)步。從航空、航天和國(guó)防等高科技領(lǐng)域，到與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的家居、健康等領(lǐng)域，新材料都扮演著至關(guān)重要的角色。其中，納米陶瓷復(fù)合材料以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸嶄露頭角，成為備受矚目的焦點(diǎn)材料。它融合了陶瓷材料本身的優(yōu)良特性以及納米技術(shù)帶來(lái)的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升，在眾多方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望開(kāi)啟未來(lái)科技生活的新紀(jì)元，接下來(lái)我們將對(duì)其進(jìn)行全面且深入的探討。



一、納米陶瓷復(fù)合材料在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展



高溫陶瓷復(fù)合材料的重要性及面臨的挑戰(zhàn)：



在航空、航天和國(guó)防等高科技領(lǐng)域，高超音速飛行器是全球競(jìng)爭(zhēng)的核心所在。這些尖端裝備的技術(shù)革新對(duì)新材料有著迫切的需求，不斷推動(dòng)著新材料的研究與發(fā)展。而在眾多材料中，SiC 陶瓷及其復(fù)合材料尤為引人注目。它們憑借卓越的強(qiáng)度和耐高溫特性，在高溫端頭、噴嘴、機(jī)翼前沿等關(guān)鍵熱端結(jié)構(gòu)部件中有著巨大的應(yīng)用潛力，對(duì)于在極端條件下保持飛行器結(jié)構(gòu)完整性、提升飛行器性能起著至關(guān)重要的作用。



然而，現(xiàn)有的單相 SiC 陶瓷基復(fù)合材料存在明顯局限。在 1800℃左右的溫度下服役時(shí)，其力學(xué)性能會(huì)迅速下降，并且還面臨主動(dòng)氧化的問(wèn)題，這極大地限制了它們?cè)?2000℃以上極端熱氣流環(huán)境中的長(zhǎng)期應(yīng)用能力。為了克服這些挑戰(zhàn)，科研人員積極探索新的材料配方和制造技術(shù)，旨在提高 SiC 陶瓷基復(fù)合材料的耐高溫性能和抗氧化能力。



高溫陶瓷復(fù)合材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路：



為了實(shí)現(xiàn)耐高溫性能等方面的提升，研究人員嘗試了多種創(chuàng)新策略。一方面，在超高溫陶瓷的研究領(lǐng)域，科學(xué)家們探索將 ZrC、ZrB2、HfB2、TaC 等具有優(yōu)異高溫性能的材料與 SiC 陶瓷相結(jié)合，期望實(shí)現(xiàn)材料性能的最大化。例如 ZrB2-SiC 體系在高溫下能夠形成硼硅酸鹽保護(hù)層，即便處于 1800℃的極端溫度下，也能維持材料表面的完整性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SiC-ZrB2-ZrC 復(fù)相陶瓷能在高達(dá) 2000℃的溫度下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其抗性能衰退的能力甚至超過(guò)了單一的 ZrB2-SiC 體系。當(dāng)前的研究趨勢(shì)主要聚焦于兩相或三相陶瓷復(fù)合體系的開(kāi)發(fā)，不過(guò)，對(duì)于包含四相及以上多元復(fù)相陶瓷及其復(fù)合材料的研究則相對(duì)匱乏。



一個(gè)具有潛力的新方向是將 SiC 作為主相，并引入 ZrC、ZrB2 和 BN 來(lái)構(gòu)建新型復(fù)合材料。這些基于鋯的材料不僅具備高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度和高硬度的特性，而且在高溫氧化后能在材料表面形成致密的氧化鋯（ZrO2）層或與硅基氧化物反應(yīng)形成硅酸鋯（ZrSiO4）相，有效封閉表面孔隙或缺陷，并減緩內(nèi)部氧化速率。此外，引入六方氮化硼（BN）可以降低復(fù)合材料的彈性模量，提高其斷裂韌度和抗損傷容限，這對(duì)于提升材料整體性能意義重大。



纖維增韌技術(shù)在高溫陶瓷復(fù)合材料中的應(yīng)用及問(wèn)題：



除了材料復(fù)合體系的創(chuàng)新，纖維增韌技術(shù)也是提升陶瓷材料高溫性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了進(jìn)一步提高陶瓷材料的抗沖擊性和損傷容限，研究人員在探索傳統(tǒng)增韌方法的同時(shí)，特別關(guān)注了纖維增韌技術(shù)的進(jìn)展。纖維增韌技術(shù)通過(guò)在陶瓷基體中引入短碳纖維，顯著提升了材料的韌性和強(qiáng)度。短碳纖維增強(qiáng)的超高溫陶瓷基復(fù)合材料（Csf/UHTCMC）因其制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、成本效益高以及能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間內(nèi)的增韌效果而成為研究熱點(diǎn)。



但碳纖維與陶瓷基體之間的界面反應(yīng)是不容忽視的問(wèn)題。這種界面反應(yīng)可能導(dǎo)致碳纖維與陶瓷基體及表面氧化物、金屬或非金屬雜質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成強(qiáng)結(jié)合界面。強(qiáng)結(jié)合界面不僅限制了碳纖維在高載荷下的拔出能力，還可能因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)致使碳纖維遭受?chē)?yán)重侵蝕損傷，從而削弱了其補(bǔ)強(qiáng)和增韌的效果。為此，研究人員正在尋求新策略來(lái)優(yōu)化碳纖維與陶瓷基體之間的界面特性，保障復(fù)合材料在極端環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和可靠性。比如開(kāi)發(fā)新型表面處理技術(shù)以改善纖維與基體之間的粘附力，探索添加適當(dāng)?shù)闹虚g層材料來(lái)減少化學(xué)侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳的力學(xué)性能和耐久性。



納米技術(shù)助力高溫陶瓷復(fù)合材料性能改善：



在改善高溫陶瓷復(fù)合材料性能方面，納米技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，非氧化物陶瓷粉體表面的氧化物薄膜可能會(huì)加速陶瓷分解、促進(jìn)晶粒粗化，并降低燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力。針對(duì)這一情況，由多所高校組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)深入探究，利用納米級(jí)陶瓷粉體和低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，在碳纖維表面制備涂層，并通過(guò)高溫?zé)崽幚碛行p輕了短碳纖維在燒結(jié)過(guò)程中的侵蝕損傷。盡管這一做法可能會(huì)增加生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜性，限制了碳化硅纖維/超高溫陶瓷基復(fù)合材料（Csf/UHTCMC）的大規(guī)模應(yīng)用潛力，但它為復(fù)合材料領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。



此外，研究還意外發(fā)現(xiàn)，在陶瓷基復(fù)合材料中添加特定燒結(jié)助劑能去除陶瓷粉體表面雜質(zhì)、降低燒結(jié)溫度，并抑制晶粒生長(zhǎng)。這種助劑的使用不僅促進(jìn)了復(fù)合材料的燒結(jié)致密化，還抑制了碳纖維與陶瓷基體間的界面反應(yīng)，減輕了碳纖維的侵蝕損傷，對(duì)提升材料性能和延長(zhǎng)使用壽命有著重大意義。



二、納米復(fù)合陶瓷改善脆性及增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理



陶瓷材料脆性問(wèn)題及納米復(fù)合陶瓷的出現(xiàn):



陶瓷材料本身具有硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)良特性，在能源、軍工、機(jī)械、化工、電子信息等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但陶瓷材料存在高脆性這一弱點(diǎn)，限制了其在某些高端領(lǐng)域的應(yīng)用，如何改善這一問(wèn)題一直是陶瓷材料研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著納米粉體制備技術(shù)的不斷發(fā)展，納米復(fù)合陶瓷應(yīng)運(yùn)而生，為解決陶瓷材料的高脆性提供了新的思路。



納米復(fù)合陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及對(duì)力學(xué)性能的影響:



納米復(fù)合陶瓷中的納米相以?xún)煞N形式存在，一種是分布在微米級(jí)陶瓷晶粒之間的晶間納米相；另一種則“嵌入”基質(zhì)晶粒內(nèi)部，被稱(chēng)為晶內(nèi)納米相或“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生了穿晶斷裂和多重界面兩個(gè)顯著效應(yīng)，對(duì)材料的力學(xué)性能起到重要影響。



以研究者采用納米級(jí)碳化硅粉和微米級(jí)氧化鋁粉為原料，使用真空熱壓爐燒結(jié)制備出的 Al2O3/SiC 納米復(fù)合陶瓷為例，其具有相對(duì)密度高（超過(guò) 99.47%），彎曲強(qiáng)度高（507.82MPa）、斷裂韌性好（4.75MPa·m1/2）、維氏硬度（1824.96Hv）高等優(yōu)點(diǎn)。其微觀結(jié)構(gòu)顯示 Al2O3/SiC 陶瓷中存在著種類(lèi)豐富的位錯(cuò)組態(tài)和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，這在一般陶瓷中是較為罕見(jiàn)的。



殘余應(yīng)力對(duì)納米復(fù)合陶瓷性能的作用:



納米復(fù)合陶瓷相間熱膨脹系數(shù)的失配和彈性模量的差異對(duì)材料性能影響顯著，其中熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周?chē)w內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)，這是復(fù)合陶瓷補(bǔ)強(qiáng)增韌的主要根源之一。



比如在 Al2O3/SiC 系和 MgO/SiC 系中，盡管基質(zhì)的熱膨脹系數(shù)比納米相的大，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌程度較小，但由于殘余熱應(yīng)力以壓應(yīng)力的方式作用在兩相界面上，使得兩相界面結(jié)合牢固，進(jìn)而可能實(shí)現(xiàn)“內(nèi)晶型”納米粉體粒子對(duì)穿晶裂紋的二次偏轉(zhuǎn)而耗散能量，最終提高材料的韌性。研究者通過(guò)應(yīng)變分析和理論推算，提出 Al2O3/SiC 納米復(fù)合陶瓷中隨 SiC 增加，第二相顆粒間距縮小，垂直于裂紋擴(kuò)展方向的殘余拉應(yīng)力的振幅減小但平均值增大，使材料韌性增量下降，并指出 SiC 為 3.5～5wt%對(duì)應(yīng)著體系最高韌性。



納米復(fù)合陶瓷的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理分類(lèi)：



目前關(guān)于納米復(fù)合陶瓷的增強(qiáng)韌化機(jī)理主要分為四類(lèi)：



1.細(xì)化基體顆粒



為改善先進(jìn)陶瓷的性能，細(xì)、密、勻、純的陶瓷粉體是重要發(fā)展方向。陶瓷粉體的細(xì)化使得組織結(jié)構(gòu)更加均勻，減小了應(yīng)力集中及顯微裂紋的尺寸；細(xì)晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶界體積分?jǐn)?shù)增加，陶瓷斷裂過(guò)程生成的新表面積增大，因此斷裂前吸收的外界能量增加，宏觀上表現(xiàn)為陶瓷斷裂韌性提高。例如采用納米級(jí) B2O3、Al、石墨和 B4C 粉體為原料制備的 B4C/Al2O3 納米復(fù)合陶瓷，其主要成分為 B4C 和 Al2O3，主相 B4C 約占 70wt%，第二相 Al2O3 約占 30wt%，由 Al-B-O 共同構(gòu)成的復(fù)雜中間相填充在主相與第二相之間，復(fù)相陶瓷的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為 2.82g/cm3，41.5GPa，380MPa 和 3.9MPa·m1/2，其中斷裂韌性比純微米級(jí)碳化硼陶瓷提高了 85.7%。



2.界面自增韌



Si3N4/SiC 片層復(fù)合陶瓷材料利用界面自韌化解決單一的氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷材料脆性較大、易斷裂問(wèn)題。Si3N4/SiC 片層復(fù)合陶瓷材料在界面處大量存在的燒結(jié)助劑有利于氮化硅棒晶生長(zhǎng)，大尺寸的氮化硅棒晶將氮化硅層與碳化硅層連接起來(lái)，產(chǎn)生界面自韌化的效果。材料的彎曲強(qiáng)度大于 700MPa，收縮率﹤15％，同時(shí)，其韌性可到 16MPa·m1/2 以上，完全可以滿(mǎn)足高韌性陶瓷材料的使用要求，其斷裂功﹥6KJ/m2，材料的斷裂預(yù)警明確，具有高的安全系數(shù)。



3.微裂紋增韌



微裂紋增韌是通過(guò)微裂紋分散主裂紋尖端能量來(lái)提高材料韌性的方法，即微裂紋在擴(kuò)展和形成新的微裂紋過(guò)程中消耗部分能量，以達(dá)到宏觀增韌效果。微裂紋通常存在于由線脹系數(shù)不匹配或相變所致的局部張力區(qū)內(nèi)。以 Al2O3/ZrO2/ZrSiO4 復(fù)合陶瓷材料為例，該復(fù)合陶瓷材料中 ZrSiO4 為主要晶相，另外還有少量 Al2O3 和 ZrO2 存在；第二種增強(qiáng)體 ZrO2 的最佳引入量為 20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；確定復(fù)合材料的強(qiáng)韌化是由 Al2O3 和 ZrO2 納米顆粒引起的裂紋偏轉(zhuǎn)、微裂紋增韌與 ZrO2 納米顆粒引起的相變?cè)鲰g共同作用而實(shí)現(xiàn)的，斷裂方式主要為穿晶斷裂。



4.晶須或纖維增韌



利用 SiC、Si3N4 等晶須或 C、SiC 等長(zhǎng)纖維對(duì) Si3N4 陶瓷進(jìn)行復(fù)合增韌。不過(guò)，由于晶須或纖維的分散工藝復(fù)雜，燒結(jié)致密化困難以及與基體的相容性問(wèn)題，使其實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。



三、納米陶瓷復(fù)合材料在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用



航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用：



SiC 陶瓷基體中引入 SiC 纖維或碳纖維制備的 SiC/SiC、C/SiC 納米復(fù)合陶瓷，彌補(bǔ)了陶瓷材料的缺陷，具備耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、抗沖擊等性能，在航空航天領(lǐng)域有著諸多應(yīng)用，比如可應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器防熱結(jié)構(gòu)、太空輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、剎車(chē)制動(dòng)、核能、光伏電子等多個(gè)方面，主要用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、噴口導(dǎo)流葉片等產(chǎn)品。目前市場(chǎng)中應(yīng)用需求較高的主要是 SiC/SiC 納米復(fù)合陶瓷。



冶金工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用：



Si3N4/SiC 納米復(fù)合陶瓷由于具有高溫強(qiáng)度好、熱擴(kuò)散系數(shù)低、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，成為了高溫或超高溫領(lǐng)域最具前途的高溫復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷，在冶金工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為相關(guān)高溫工藝提供了可靠的材料保障。



電子行業(yè)的應(yīng)用：



Al2O3/ZrO2 納米復(fù)合陶瓷具有強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，可用于制造各種高強(qiáng)度電源模塊用基板，支持銅電路板的直接接合。AlN 納米復(fù)合陶瓷具備電絕緣性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，對(duì)于需要散熱的應(yīng)用而言是理想之選，并且其熱膨脹系數(shù)接近硅，還具有優(yōu)異的等離子體抗性，可用于制造半導(dǎo)體加工設(shè)備部件，在半導(dǎo)體制造工藝中，可用于硅晶片的安裝、校正平面度和硅晶片的冷卻等環(huán)節(jié)。



生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用：



納米復(fù)合陶瓷作為生物陶瓷材料，憑借其化學(xué)惰性、優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨耐蝕性，成為骨骼、牙齒和關(guān)節(jié)等組織的置換材料。陶瓷手術(shù)刀以及生物液體納米陶瓷過(guò)濾膜等醫(yī)用工具也是結(jié)構(gòu)陶瓷在醫(yī)用領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。像氧化鋁與氧化鋯復(fù)合的陶瓷已成功應(yīng)用于人體的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)，為醫(yī)療健康領(lǐng)域提供了優(yōu)質(zhì)的材料支持。



智能科技與家居領(lǐng)域的應(yīng)用：



在智能科技領(lǐng)域，納米陶瓷復(fù)合材料以其卓越的性能和穩(wěn)定性，成為智能設(shè)備外殼、顯示屏保護(hù)層等關(guān)鍵部件的理想選擇。它能夠有效抵御外部沖擊和磨損，保護(hù)設(shè)備內(nèi)部元件免受損害，同時(shí)提供出色的散熱性能，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。



隨著智能家居的普及，納米陶瓷復(fù)合材料在家居領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。從智能門(mén)鎖、智能照明到智能家電，納米陶瓷復(fù)合材料以其獨(dú)特的性能和美觀的外觀，為家居生活帶來(lái)更加安全、舒適和便捷的體驗(yàn)。



健康科技領(lǐng)域的應(yīng)用：



在健康科技領(lǐng)域，納米陶瓷復(fù)合材料憑借良好的生物相容性和抗菌性能，成為醫(yī)療設(shè)備和健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的優(yōu)選材料。它能夠與人體組織緊密貼合，減少排斥反應(yīng)和感染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提供精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為健康管理提供有力支持。



四、納米陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展前景



盡管納米陶瓷復(fù)合材料在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于快速發(fā)展階段，面臨著成本、工藝和市場(chǎng)需求等諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷突破和市場(chǎng)的日益成熟，其應(yīng)用前景無(wú)疑是越來(lái)越廣闊的。



在政策的引導(dǎo)和市場(chǎng)的推動(dòng)下，納米陶瓷復(fù)合材料有望在未來(lái)幾年內(nèi)迎來(lái)更加廣泛的應(yīng)用和更加深入的發(fā)展。其作為一種新型的高性能材料，獨(dú)特的性能使其契合未來(lái)科技生活對(duì)綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，無(wú)論是在追求極致性能的高科技領(lǐng)域，還是在提升人們生活品質(zhì)的民用領(lǐng)域，都將持續(xù)發(fā)揮重要作用，為科技生活的繁榮注入新的活力，有望開(kāi)啟未來(lái)科技生活的新紀(jì)元，成為推動(dòng)各領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新升級(jí)的關(guān)鍵力量。



總之，納米陶瓷復(fù)合材料憑借其在性能優(yōu)化、功能拓展以及多領(lǐng)域適用性等方面的突出表現(xiàn)，正逐漸成為材料領(lǐng)域的一顆璀璨明星，值得我們持續(xù)關(guān)注并深入探索其更多的應(yīng)用可能和發(fā)展?jié)摿Α?/span>



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