金属陶瓷复合材料
何洋
( 材料科学与工程一班 200911102016 )
摘要本文从复合材料入手介绍Al/Al2O3陶瓷基复合材料，定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料，Al/Al2O3陶瓷基复合材料的低温烧结，金属陶瓷材料的应用以及研究现状、前景。
Abstract The article introduces composite material of Al/Al2O3 ceramic matrix composites， directional metal oxidation method for Al/Al2O3 ceramic matrix composites， Al/Al2O3ceramic matrix composites， low temperature sintering， metal，ceramic materials application and research status， prospects。
关键词复合材料；Al/Al2O3 ；定向金属氧化法；低温烧结；应用；前景
Key words composite materials； Al/Al2O3； directed metal oxidation； low temperature sintering； application； prospects
复合材料(Composite materials)
由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
氧化铝(Al2O3 ) 陶瓷
先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、硬度大、强度高、
耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料：可用于切削刀具、磨环、模具；是理想的集成电路基板材料；还可用作催化剂载体、热交换管、阀门、化学泵等。
但是与其他陶瓷材料一样，该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点，使得目前Al2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。改善氧化铝陶瓷材料脆性的方法很多，如提高材料的密度、纯度、晶体完整性，以及改变晶形、晶粒尺寸、晶界状况等，或通过微裂纹韧化、ZrO2相变增韧、颗粒弥散、纤维增韧方法等[1]。其中，近年来，在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的Al/Al2O3陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域，其制备工艺主要有烧结[2]、熔体浸渍[3]、定向金化法[4]3 种。由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成Al2O3钝化膜，使Al 粉和Al2O3颗粒之间表现出很差的润湿性，导致烧结法制备Al/Al2O3陶瓷材料烧结困难，影响复合材料的机械性能[5]。挤压铸造和气压浸渍工艺浸渍速度快，但是预制体中的细小空隙很难进一步填充[6]，而后发展的无压渗透工艺操作复杂，助渗剂的选择随意，且作用机理复杂，反而增加了工艺控制难度[7]。
世纪80 年代初，美国Lanxide 公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺—定向金属氧化技术(Directed Metal Oxidation ，简称DMOX) [8]。该工艺是在高温下利用一定阻生剂限制金属熔体在其他5 个方向的生长，使金属熔体与氧化剂反应并只单向生长即定向氧化。采用该方法制备的Al/ Al2O3陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的α-Al2O3基体与三维网状连通的残余金属和不连续的金属组成，由于Al2O3晶间纯净，骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的同类材料的强度[9] ，同时，三维连通的金属铝具有良好的塑性，从而使该复合材料具
有更为良好的综合机械性能。
Mg、Si 合金成分的影响
众所周知，在空气环境下金属铝液极容易氧化而在其表面生成一层氧化铝钝化膜，阻止了铝液与氧的进一步反应，如果要使金属铝能够持续氧化，必须引入
合金成分来破坏该钝化膜，提高金属铝液与氧化铝之间的润湿程度。A。Banerji[9]推测，这些起改善润湿作用的合金成分可能降低液体表面张力或固液界面能，促进固液界面反应。
尽管在材料制备过程中，不添加金属硅的铝合金熔液也能出现定向氧化生长[9]，但铝合金熔液具有一定粘度，研究发现ⅣA 族的Si、Ge 、Sn、Pb 可以改善其对陶瓷材料的润湿性，目前广泛采用的是Si[4]。在反应过程中，大部分Si 残留在母合金残骸中，少量的Si 均匀分布在整个反应产物内部，这与金属Mg 主要富集在金属通道中的分布不同[10]。虽然金属硅的引入改变了反应速度[11]，但其含量增加导致产物内部气孔率和金属铝含量也显著增加[12]。总的来说，金属硅在定向氧化法制备Al/Al2O3材料的可能作用机理主要集中在如下几个方面：(1) 降低熔液与氧化物的润湿角，提高液相的润湿程度，对于Al2Mg 合金来说，尤其降低了其表面张力[13，14]；(2) 影响氧在液相中的传输[10]；(3) 控制镁的活度并促进反应前沿的氧化镁和镁铝尖晶石溶解转化[15，16 ]。
温度与气氛的影响
热处理温度影响着定向氧化制备Al/ Al2O3材料的生长速率和反应阶段。通过表面和断口的观察将反应按温度分为 4 个阶段：(1) 合金被加热熔化到900 ℃时，表面迅速氧化成MgO 覆盖的尖晶石层；(2) 继续加热到1100～1300 ℃，内部扩散与渗透加剧，双层变厚；(3) 金属通过微观管道传输到反应前沿，Al2O3/ Al 成核；(4) 小的Al/Al2O3复合材料核生长并聚集形成大的生长前沿面，整个过程Al/ Al2O3始终被MgO 层覆盖。此外，温度也影响着Al2Mg2O三元系统的平衡镁含量[17]和镁蒸气压[16]，如随着处理温度的升高，Al2Mg2Al2O3的平衡镁含量增加，而镁蒸气压与温度的指数成正比。
处理气氛对合金定向氧化生长的影响也不容忽视。在反应初期，随着氧压的增加，质量增加速率明显，反应后期氧压的增加则对质量增加速率影响不大[16]。Zn23。1 %Cu21。1Fe %20。25 %Mg 时，增重变化不明显。
预形体的影响
金 属 陶 瓷 材 料 2014级材料一班 王倩文 1430140512
目录 一、金属陶瓷的定义 (3) 二、金属陶瓷的特点 (4) 1.金属对陶瓷相的润湿性好。 (4) 2.金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应 (4) 3.金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不会过大 (4) 三、金属陶瓷的行业现状 (5) 1.中国硬质合金工业产业分布、生产企业和研发机构 (5) 2.碳化钛基金属陶瓷 (5) 2.1 切削加工领域的应用 (6) 2.2 航天航空工业方面的应用 (6) 2.3 其他方面的应用 (7) 3.碳氮化钛基金属陶瓷 (8) 3.1 Ti(C,N)基金属陶瓷组分和成分设 (8) 3.2 晶粒细化 (9) 3.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的应用 (9) 4.三元硼化物金属陶瓷 (10) 四、金属陶瓷的发展趋势 (11) 1.新材料的研究与开发。 (11) 2.超细晶粒和纳米级金属陶瓷。 (12) 3.梯度金属陶瓷的应用开发。 (12) 4.金属陶瓷回收再利用问题。 (12) 5.基础研究的发展。 (13)
材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。正是材料的使用、发现和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。当今世界，能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志，继金属、有机高分子材料以后，金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业，其发展之快，作用之大，令世人瞩目。金属陶瓷材料具有比强度高、比模量高、耐磨损、耐高温等优良性能，在众多场合已被作为新材料的代名词，成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防所不可缺少的重要部分，引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，纷纷投入巨资进行研究开发，把金属陶瓷材料作为本国高技术发展的一个重要领域。 一、金属陶瓷的定义 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets来，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界，所以具体材料也很难划分界线，从材料的组元看，“硬质合金”应该
有关高分子、复合、金属、陶瓷材料 专业： 学生姓名： 学号： 指导教师： 完成时间：2015年1月3日
有关金属、陶瓷、高分子、复合材料 高分子材料 特点：高分子材料是以高分子化合物为基础的材料，是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。高分子材料有很高的分子量,质轻,密度小,有优良的力学性能,绝缘性能,隔热性能.由于高分子结构的不同,其特点也不尽相同。比如说：橡胶一类线型柔性高分子聚合物，其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状；高分子基复合材料是以高分子化合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料，它综合了原有材料的性能特点，并可根据需要进行材料设计。功能高分子材料除还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。 应用：浙江大学的科研人员得到一种不仅坚硬、富有韧性，而且可连续化制备的高分子材料。用它织成的衣服可以防辐射和静电，由于新型纤维质量轻，还可做成更轻便的防弹衣。目前，课题组已能制成比头发丝还细的仿贝壳纤维。“我们这项技术的应用面很广，例如可制成功能性的织物。大家穿上了用仿贝壳纤维材料做的衣服后，不仅能防静电，还可以防辐射，同时又耐化学腐蚀。”该课题组博士生许震说。也许在未来，人们真的可以像蜘蛛侠那样，喷出液体迅速凝结成强韧的新型纤维，飘荡在城市大楼之间。 复合材料： 特点：由异质、异性、异形的有机聚合物、无机非金属、金属等材料作为基体或增强体，通过复合工艺组合而成的材料。除具备原材料的性能外，同时能产生新的性能。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。一般复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。 应用：在建筑工业发展中使用树脂基复合材料对减轻建筑物自重，提高建筑物的使用功能等十分有利，是实现建筑工业现代化的必要条件。有可设计性，力
摘要 近年来，随着现代化工业的不断进步与发展，人们对于材料的性能要求越来越高，其中较为重要的一点便是材料的耐磨性。众所周知，磨损现象不论在科研实践还是日常生活中都是很常见的，并且若不及时更换调整便极有可能造成严重的安全事故。因此，如何提高易磨损材料的耐磨性能便显得尤为重要。 锌锅沉没辊是热浸镀锌设备中一种重要零件，我国锌锅沉没辊的辊轴与辊套需要从国外进口，不仅价格昂贵而且磨损严重，平均一周就需要更换一次设备，导致轧制的成本很高。所以锌锅沉没辊辊轴与辊套的耐磨性是一个越来越受到重视的问题。本设计旨在制备316L不锈钢表面的耐磨陶瓷涂层来缓解锌锅沉没辊的辊轴与辊套过于严重的磨损，以此延长锌锅沉没辊的辊轴与辊套的寿命，提高生产效率。 我们通常用表面合金化、表面形变强化、表面涂层强化等方法来提高材料耐磨性。本设计借助钎涂原理，分别以氧化铝和碳化钨作为陶瓷增强相材料，Ni82CrSiB合金为钎料，利用真空钎涂的方法制作出较为耐磨的陶瓷涂层，从而达到提高不锈钢表面耐磨性的要求。试验结果表明：氧化铝与钎料的润湿效果不够理想，在涂层中没能发现氧化铝相，即以氧化铝作为陶瓷增强相材料无法达到预期目标；而碳化钨颗粒在涂层中分布较均匀，涂层表面光滑，有金属光泽，并且与不锈钢表面冶金结合良好，硬度达到了不锈钢基体的6倍以上，有望大幅提高材料的耐磨性能。 关键词：金属陶瓷涂层；钎涂技术；硬度
Brazing Process of Metal-ceramic Coating on Stainless Steel Abstract In recent years, with the continuous progress and modernization of industrial development, people are increasingly demanding high-performance materials, one of the important points is the wear resistance. As we all know, the wear phenomena both in research and practice is still very common in daily life, and if not timely replacement of adjustments it is very likely result in serious accidents. Therefore, how to improve the wear resistance of the material is particularly important. The zinc pot sink roll is one of the important parts of hot dip galvanizing equipments. The bush of zinc pot sink rolls needs to be imported from abroad, and it is not only expensive but also badly worn., it needs to be replaced once per week, and that would lead to the high cost of rolling. Therefore, the wear resistance of the zinc pot sink roller bearing is a question with more and more attention. This design is in order to prepare the surface of 316L stainless steel wear-resistant ceramic coating to solve the zinc pot sink roll shaft and insert wear too serious problem to extend the life of the equipment and The main methods of improving the wear resistance for material are surface strain hardening, surface alloying, surface coating strengthened and so on. In this design, we use the braze coating principle, and make the Al2O3 and WC as ceramic reinforcement materials, Ni82CrSiB as the brazing. The method of using the vacuum braze coating to produce more wear-resistant ceramic coating, so as to improve wear resistance of the stainless steel surface requirements. The results showed that: The wetting effect of Al2O3 and brazing filler is not satisfactory, and we could not find alumina phase in the coating, that is to say, Al2O3 as the ceramic reinforcement materials can not achieve the desired goal. However, WC particles in the coating are distributed more evenly. The coating surface is smooth, with a metallic luster, and it is a good metallurgical bond with the stainless steel surface. Its hardness is more than 6 times the stainless steel substrate, and it can be required to improve the wear resistance. Key Words：metal-ceramic coating; braze coating process; hardness
陶瓷涂层 一、金属基陶瓷涂层简介 金属基陶瓷涂层是指涂在金属表面上的耐热无机保护层或表面膜的总称。他能改变金属底材料外表面的形貌、结构及化学组成，并赋予底材料新的性能。涂层的种类很多；按其组成可分为硅酸盐系涂层、氧化物涂层、非氧化物涂层及复合陶瓷涂层等，按工艺方法可分为熔烧涂层、喷涂涂层、气相沉积及扩散涂层、低温烘烤涂层、电化学工艺涂层、溶胶-凝胶涂层及原位原位反应涂层等；按其性能与用途可分为温控涂层（包括温控、隔热、红外辐射涂层等）、耐热涂层（包括抗高温氧化、抗腐蚀、热处理保护涂层等）、摩擦涂层（包括减磨、耐磨润滑涂层）、电性能涂层（包括导电、绝缘涂层等）、特种性能涂层（包括电磁波吸收、防原子辐射涂层等）及工艺性能涂层等。 二、金属基陶瓷涂层制备技术 1．喷涂法（等离子喷涂法） 2．化学气相沉积法（CVD）：在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜镀层。 3．物理气相沉积法（PVD）：离子镀法、溅射法、蒸镀法、离子注入等，离子化使镀层更致密。目前CVD和PVD的界限已不明显，两者相互渗透，CVD技术引入等离子活化等物理过程，出现了PACVD技术，PVD技术也引入反应气体产生化学过程。 4．复合镀层 5．溶胶-凝胶法 6．原位反应法 三、应用 航天航空工业：航天飞机机身外皮发动机涡轮叶片燃烧室内壁齿轮箱传送装置 电力电子工业：增加介电常数 汽车工业：为了减轻重量而开发新一代汽车发动机，欧洲、日本的汽车制造厂已经采用了合金上电解沉积Ni-SiC复合镀层，这种镀层还能大大提高耐膜性能、润滑性能和耐高温氧化性能。将氧化锆陶瓷粉末喷涂在内燃机的燃烧室内壁，可提高内燃机的工作温度、节省燃料和简化结构。 切削刀具上的应用：硬度高、耐热粘结性强、化学稳定性高、切削韧性好、切削性能优良等特点。单双三层刀具，陶瓷镀层刀具寿命是原来的1-2倍，多镀层刀具是陶瓷镀层刀具寿命的0.5-1倍， 冶金和机械工业：金属的冶炼热加工和热处理都要在高温下进行，防止金属的高温氧化、渗氮、渗氧，往往在金属表面涂热处理保护涂层。 生物医学的应用：改善人体与金属的生物相容性。 石油化工：防腐 陶瓷、玻璃生产：增加强度和寿命 食品包装：耐热、高阻隔、透明度
金属陶瓷复合材料的应用 我公司提供以下热喷涂技术服务：修复各类设备主轴、曲轴以及所有轴的轴颈、轴承档、油封档、键槽的磨损、拉伤等缺陷。“锅炉四管”（水冷壁管、过热器管、预热器管和省煤器管）喷涂防护、循环硫化床锅炉、膜式壁热喷涂防护、风机叶片、拉丝塔轮、拨丝缸、水轮机的导风叶、水轮机叶片的迷宫环等部件的防汽蚀、防磨处理。大型液压油缸的陶瓷涂覆活塞杆和液压缸以及位置测量成套系统、化工泵中往复泵柱塞陶瓷涂层、机械密封环和轴套表面喷涂、陶瓷蝶阀密封面喷涂代替镶圈结构、高参数球阀喷涂陶瓷、在石油、天然气勘测和钻采过程中所用设备的关键部件如钻头、轴、轴套、灌浆泵等表面热喷涂防护。 在塑料工业设备中，塑料挤出机螺杆、塑料切碎机喷嘴、塑料薄膜生产辊。冶金工业中，连续退火炉辊、张紧辊和偏转器辊自清理炉辊、热浸镀锌用沉没辊、稳定辊等先进涂层。热轧无缝管顶头的表面强化涂层、铜合金热挤压模具强化涂层。在化纤工业中，各种槽辊、锭杯、牵伸辊、导丝辊、表面陶瓷涂层、造纸烘缸表面防腐防磨防护、上光砑光棍、纸浆真空吸水箱板、印刷工业中铸铁印刷滚表面喷涂防护、陶瓷网纹辊、电晕辊。 在玻璃工业中，铜电板的抗高温氧化保护涂层、喂料柱塞和喂料管、内燃机燃烧室的热障陶瓷涂层（汽缸盖底面、活塞底面、活塞顶面、汽门全部底面缸套、活塞环、水泵动密封环、气门顶杆、增压器涡轮） 热喷涂涂层工业应用介绍 随着涂层新材料和新工艺的不断涌现，热喷涂涂层已在国民经济各个工业部门广泛地应用。加之现代计算机技术、传感测试技术、自动化及机器人技术、真空技术与热喷泉涂技术的结合和渗透，使得热喷涂技术的深入发展和工业规模化生产均有大幅度的进步和提高。对未来热喷涂发展的方向以及市场与工业规模的预测为：技术附加值高、效益好的如生物工程，航空航天，工、模具，电子工业等，但规模相对较小；要求成本低的大规模产业如汽车工业和钢结构，但技术附加值低；应用面最广的仍是机械工业，包括石油化工、轻纺、能源、冶金、航空、汽车等也均属此范畴。 热喷涂技术能赋予各类机械产品，特别是关键零部件许多特种功能涂层，形成复合材料结构具有的综合作用，真正做到了“ 好钢用在刀刃上” ，是材料科学表面技术发展的一个方向。但热喷涂技术仅通过涂层在机械产品基体表面获得一定的特殊功能，而不能代替基材或提高产品的结构性能。 钢铁长效防腐蚀涂层 由于锌、铝、锌铝、铝镁涂层的电极电位均负于钢铁，故对钢铁结构能起到阴极保护作用。从20世纪40年代起，国外已将它们喷涂于钢铁构件上作为长效抗腐涂层。国内自70年代起开始推广应用，迄今成功的实例不胜枚举。目前大面积钢结构喷涂锌、铝涂层一般采用电弧喷涂工艺，局部辅助以氧乙炔火焰线材喷涂补遗。现在国内每年采用热喷涂大面积施工工程均在数百万平方米以上。
浅论陶瓷复合材料的研究现状及应用前景 董超2009107219金属材料工程 摘要 本文主要对陶瓷复合材料的研究现状及应用前景进行了研究，并对当今陶瓷复合材料发展面临的问题进行了概括，希望对陶瓷复合材料的进一步发展起到一定的作用。 本文首先对Al2O3陶瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景进行了详细的研究。然后对整个陶瓷复合材料的发展趋势及存在的问题进行了分析，得出了在新的时期陶瓷复合材料主要向功能、多功能、机敏、智能复合材料、纳米复合材料、仿生复合材料方向发展；目前复合材料面临的主要问题是基础理论研究问题和新的设计和制备方法问题。 关键词：Al2O3陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料研究现状应用前景 1. 前言 以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、用途等不同，可将陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。而在许多重要的应用及研究领域，特殊陶瓷是主要研究对象。 陶瓷复合材料是特殊陶瓷的一种。在高技术领域内，对结构材料要求具有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。陶瓷具有优良的综合机械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定提高。因此引起各国科学家的重视。本文主要介绍了各种陶瓷复合材料的研究现状及其应用前景，并对陶瓷复合材料近年来的发展进行综述。 2.研究现状 随着现代科学技术快速发展，新型陶瓷材料的开发与生产发展异常迅速，新理论、新工艺、新技术和新装备不断出现，形成了新兴的先进无机材料领域和新兴产业。科学技术的发展对材料的要求日益苛刻，先进复合材料已成为现代科学技术发展的关键，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的一个重要指标，因此世界各国都高度重视其研究和发展。 复合材料的可设计性大，能满足某些对材料的特殊要求，特别是在航空航天技术领域的应用得到迅速发展。陶瓷复合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韧性，提高其可靠性，发挥陶瓷材料的优势，扩大应用领域。本文就几类典型的陶瓷复合材料介绍其研究现状。 2.1Al2O3陶瓷复合材料的研究进展及发展前景 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、
金属陶瓷材料
[长春工业大学] 金属陶瓷材料读书笔记 090201 20090516 胡冰 2013/3/14 摘要：介绍了Ti(C，N)基金属陶瓷的基本组成和结构，其组织性能及其影响因素，综述了Ti(C，N)基金属陶瓷的研究现状，指出了未来的发展方向和应用。
Ti(C，N)基金属陶瓷的基础研究与进展 前言 TiC—Ni金属陶瓷最早出现在1929年，作为WC—Co合金的替代材料，主要用于切削加工[1]。Ti(C，N)基金属陶瓷是1931年发明的[2]。1956年，美国福特汽车公司Humenik发现在TiC—Ni基金属陶瓷中加入Mo后，可以改善Ni对TiC的润湿性，大大提高合金强度[3]。1971年Kiefer发现在TiC —Ni基金属陶瓷中引入N，并同时加入Mo2C和Mo粉，可使其获得更高的硬度、耐磨性、抗弯强度，较好的切削性能和抗氧化能力。此后，Ti(C，N)基金属陶瓷的研究越来越多。因此国内外对Ti(C，N)基金属陶瓷非常重视，进行深入系统的研究。自2O世纪8O年代以来，Ti(C，N)基金属陶瓷获得了迅速的发展，世界各国硬质合金厂先后推出了系列的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具[4]。 3O多年来，随着粉末冶金技术的发展，成分的演化趋于稳定，烧结技术的不断更新，粉末粒径的不断细化，Ti(C，N)基金属陶瓷的机械性能不断提高，Ti(C，N)基金属陶瓷发展到一个比较成熟的阶段。在日本，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料已占可转位刀片的30%。我国在“八五”期间也研制成功多种牌号的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，并批量上市，但性能不稳定[5]。 Ti(C，N)基金属陶瓷作为一种新型的工具材料，具有密度低、室温硬度和高温硬度都优于WC基硬质合金，化学稳定性和抗氧化性好，耐磨性好等优点。其应用填补了WC硬质合金和陶瓷刀具之间高速精加工和半精加工的空白，既适用于高速精加工，又适用于半精加工和间断切削加
金属陶瓷复合材料（学习型） 摘要：大家都知道，金属材料具有抗热震性、韧性好等特点，因而可以在许多领域中都得到广泛应用，但是它又因易氧化和高温强度不高等缺点限制了发展。而陶瓷材料具有硬度高，耐热性好，耐腐蚀等特点，如果通过一定的工艺方法将他们结合起来制成金属陶瓷，则可兼有二者的优点。使制成的新材料具有硬度大、高温强度高、高温蠕变性好，抗热震性好、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等众多优异的性能，得到更加广泛的应用。 关键词：金属陶瓷；复合原理；润湿性；热力学共存性 引言：属陶瓷是由金属粘结相和陶瓷主相组成。但并不是说，任意一种金属相和陶瓷相的结合就有优良的性金能。所以如何选择材料并且如何使材料能够完美的结合在一起将是本文重点研究的一个问题。 1、金属陶瓷材料体系的选择原则 对于金属陶瓷来说，要使其具有理想的性能，需要考虑的主要问题是如何把两个以上的相结合起来，获得理想的结构。而相界面的润湿性、化学反应以及组分的溶解对相界面的结合都有着重要的影响。为此，在材料体系的选择中，一般应遵循以下几个原则： 第一，熔融金属与陶瓷相的润湿性要良好，这是决定金属陶瓷性能优劣的主要条件之一。第二，金属相与陶瓷相之间不发生剧烈的化学反应，如果反应太剧烈，纯金属相就会变成金属化合物，而无法达到用金属来改善陶瓷脆性的目的。第三，金属相和陶瓷相的热膨胀系数相差不可过大，对于单一材料来说膨胀系数愈小，抗热震性愈好。但对金属陶瓷来说，除考虑整体膨胀系数外，还要考虑组元材料热膨胀系数的差别，这种差别如果太大，便会使材料在急冷、急热条件下产生巨大的热应力，甚至使材料产生裂纹或断裂。 另外，为了获得良好的显微结构，金属相和陶瓷相的量要有适当的要求，最理想的结构应该是细颗粒的陶瓷相均匀分布于金属相中，金属相以连续使薄膜状态存在，将陶瓷颗粒包裹，根据这一要求，陶瓷的量一般为 15%~80%。 2、金属陶瓷复合原理 2.1 金属相与陶瓷相间的润湿性问题 由于陶瓷和金属的晶体类型及物理化学特性的差异，两者的相容性很差，绝大部分液金属都不能润湿陶瓷，因而如何改善金属对陶瓷的润湿性，从而改善材
金属/陶瓷复合材料润湿性的研究 摘要：研究金属对陶瓷的润湿性对开发新型金属/陶瓷体系，探寻和发展材料的制备技术有重大的意义。制备高性能金属/陶瓷复合材料有着重要的现实意义。本文从陶瓷/金属的润湿现象、机理及其分类出发，介绍了润湿性研究的实验研究方法，并探讨改善润湿性的途径。 关键词：金属／陶瓷复合材料；润湿性；接触角；粘附功 一．润湿现象 润湿是固体表面的气体被液体取代的过程。在复合材料的制备过程中，只要涉及液相与固相的相互作用，必然就有液相与固相的润湿问题。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的润湿性如何直接影响到界面黏结强度。润湿性表示液体在固体表面上的铺展程度。优良的润湿性意味着液体在固体表面上铺展开来覆盖整个增强材料的表面。按热力学的条件，只有体系自由能减少时，液体才能铺展开来，即 因此，铺展系数SC[1]被定义为 当铺展系数SC>0时，才会润湿，根据力学平衡，可得： 式中，θ为接触角。 由θ可以知道润湿程度。θ=0°时，金属熔液会在基体上完全的铺展开；θ=180°时，熔滴呈圆球状，只与基体表面形成点接触，称其为完全不润湿；0°90°时则称为不润湿，液相对固体的粘着性较差。对于一个特定的系统，接触角θ会随温度、保温时间、吸附气体等而变化。润湿过程可按顺序分为沾湿、浸湿、铺展三个阶段。对于一个固定的系统，沾湿过程的铺展力最大，最容易进行，属于最低层次的润湿；铺展过程的铺展力最小，属于最高层次的润湿。润湿性好的液体将尽力覆盖更多的固-气界面，直至完全平铺固体表面，润湿性差的液体的润湿过程将终止于较大的平衡接触角。金属/陶瓷的润湿性对金属基复合材料的生产有重要的意义。
文章编号:1002-2082(2008)01-0076-05 金属陶瓷复合涂层的激光熔覆与无裂纹的实现 周圣丰,曾晓雁,胡乾午 (华中科技大学光电子科学与工程学院武汉光电国家实验室激光科学与技术研究部,湖北武汉430074) 摘 要: 鉴于传统的激光熔覆金属陶瓷复合涂层技术主要存在2方面不足:其一,熔覆效率低,导致大面积熔覆时成本昂贵;其二,由于激光熔覆本身的特点,即快速加热与快速凝固,在激光熔覆过程中,热应力极易诱导熔覆层开裂。基于此,综述了国内外激光熔覆金属陶瓷复合涂层的研究进展,指出其存在的主要问题,并提出了激光感应复合快速熔覆的新方法,即感应预热基材的同时快速激光熔覆。该方法不仅可使熔覆效率大大提高而且获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层。关键词: 金属陶瓷;复合涂层;激光感应复合快速熔覆 中图分类号: T N 249 文献标志码: A Realization of laser cladding and crack -free ceramic -metal composite coatings ZHOU Sheng -feng ,ZENG Xiao -y an ,HU Qia n -w u (Wuhan Na tio na l Labo rato ry for Opto electr onics ,Schoo l o f O pto elec tro nics Science and Engineering ,Huazho ng U niv er sity o f Science a nd Technolog y ,W uhan 430074,China ) Abstract :The conv entiona l technique fo r the laser cladding ceramic -metal composite coa ting m ainly has two disadv antages .Firstly ,the efficiency of its pow der depositio n is lo w and it limits the cladding rate,makes the process ra ther ex pensive for cladding o n la rg e areas.Seco ndly,due to some inherent characteristics in laser cladding technique,such as rapid heating and rapid solidification ,the residual stress induced during laser cladding co uld lead to the crack forma tio n in the composite coatings.The status quo of the dom estic and foreig n research o n laser cladding ceramic-m etal composite coa ting technique is review ed.The existing pro blem s are pointed o ut a nd a new solutio n fo r laser inductio n hy brid rapid cladding (LIHRC )is put forw ard ,w hich preheats the substrate before the la ser cladding .The efficiency of this new solutio n is higher than that o f the conv entional laser cladding and crack-free ceramic-metal com po site coating s prepa red by LIHRC. Key words :ceramic -metal ;com posite coa ting ;laser induction hybrid rapid cladding (LIHRC ) 引言 对关键机械零配件表面进行修复,虽然传统方法如堆焊和热喷涂等的效率高,涂层厚度均匀且与基材接合牢固,但由于受热过程缓慢,导致稀释率与热影响区大,陶瓷相烧损严重,而且只适合在平整表面进行熔涂。而激光熔覆技术具有能量密度 高、热变形与热影响区小、稀释率低、激光加工位置可以精确定位等优点,正成为汽车、冶金、交通等领域的关键技术,具有广阔的应用前景 [1-3] 。但由于激 光熔覆自身的特点即快速加热与快速冷却凝固,在材料表面极易形成裂纹,这已成为阻碍激光熔覆技术工业化应用难以逾越的障碍之一。为解决熔覆层 收稿日期:2007-08-20; 修回日期:2007-09-22 作者简介:周圣丰(1977-),男,湖北天门人,博士研究生,主要从事材料加工、表面激光强化与改性的研究工作。 E -mail :zho usf 1228 @https://www.doczj.com/doc/af330316.html, 第29卷第1期2008年1月 应用光学Jour nal of Applied O ptics V o l.29N o.1 J a n.2008
金属陶瓷材料 一、金属陶瓷的定义 材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。正是材料的使用、发现和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。当今世界，能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志，继金属、有机高分子材料以后，金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业，其发展之快，作用之大，令世人瞩目。金属陶瓷材料具有比强度高、比模量高、耐磨损、耐高温等优良性能，在众多场合已被作为新材料的代名词，成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防所不可缺少的重要部分，引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，纷纷投入巨资进行研究开发，把金属陶瓷材料作为本国高技术发展的一个重要领域。 图1 金属陶瓷复合材料性能图
1、金属陶瓷的概念 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets来，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界，所以具体材料也很难划分界线，从材料的组元看，“硬质合金”应该归入“金属陶瓷”，IE. Campbell就将“硬质合金”归入到“金属陶瓷”。 2、金属陶瓷的历史 WC-Co基金属陶瓷作为研究最早的金属陶瓷，由于具有很高的硬度（HRA80~92），极高的抗压强度6000MPa（600kg/mm2），已经应用于许多领域。但是由于W和Co资源短缺，促使了无钨金属陶瓷的研制与开发，迄今已历经三代：第一代是“二战”期间，德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷；第二代是20世纪60年代美国福特汽车公司添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其他碳化物的润湿性，从而提高材料的韧性；第三代金属陶瓷则将氮化物引入合金的硬质相，改单一相为复合相。又通过添加Co相和其他元素改善了粘结相。近年来，金属陶瓷研制的另一个新方向是硼化物基金属陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔点和优良的导电性，耐腐蚀性，从而使硼化物基金属陶瓷成为最有发展前途的金属陶瓷。 3、金属陶瓷的设计 为了使金属陶瓷同时具有金属和陶瓷的优良特性，首先必须有一个理想的组织结构，要达到理想的组织结构，得注意以下几个主要原则： （1）金属对陶瓷相的润湿性要好。金属与陶瓷颗粒间的润湿能力是衡量金属陶瓷组织结构与性能优劣的主要条件之一。润湿能力愈强，则金属形成连续相的可能性愈大，金属陶瓷的性能愈好。
——碳化物陶瓷基复合材料课程名称：复合材料 学生姓名：舒顺启 学号：200910204123 班级：材料091班 日期：2012年12月22日
——碳化物陶瓷基复合材料 摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的发展历史,介绍了陶瓷基复合材料的制备工艺,详细阐述了陶瓷基复合材料的性能与应用,分析了陶瓷基复合材料存在的问题，并展望了陶瓷基复合材料未来发展趋势。 关键词：陶瓷基复合材料、制备工艺、性能、应用 Ceramic matrix composites research present situation and the development prospect --Carbide ceramic matrix composites Abstract：This paper reviews the ceramic base composite material, the development history of ceramic matrix composites is introduced the preparation process, elaborated the ceramic matrix composites, the properties and the application of the analysis of the ceramic base composite material existing problems, and prospects the ceramic matrix composites future development trend. Key words：Ceramic matrix composites, preparation process, performance and application 1 引言 陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料,由于该类材料具有良好的高温性能。因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为lO时,涡轮前进口温度达1650℃,在这样高的温度下,传统的高温合金材料已经无法满足要求【1】,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。研究者通过大量的实验发现,陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力,而且材料在断裂
金属陶瓷复合材料 何洋 ( 材料科学与工程一班 200911102016 ) 摘要本文从复合材料入手介绍Al/Al2O3陶瓷基复合材料，定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料，Al/Al2O3陶瓷基复合材料的低温烧结，金属陶瓷材料的应用以及研究现状、前景。 Abstract The article introduces composite material of Al/Al2O3 ceramic matrix composites， directional metal oxidation method for Al/Al2O3 ceramic matrix composites， Al/Al2O3ceramic matrix composites， low temperature sintering， metal，ceramic materials application and research status， prospects。 关键词复合材料；Al/Al2O3 ；定向金属氧化法；低温烧结；应用；前景 Key words composite materials； Al/Al2O3； directed metal oxidation； low temperature sintering； application； prospects 复合材料(Composite materials) 由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 氧化铝(Al2O3 ) 陶瓷 先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、硬度大、强度高、
第四节 陶瓷基复合材料（CMC） 1.1概述 工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、 发动机部件、热交换器、轴承等。陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。 陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤
维之一。碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须为具有一定长径比(直径o 3。1ym，长30—lMy”)的小单晶体。从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强
复合材料学作业—— 不同基体的复合材料性能对比 姓名： 学院：材料学院 班级：0919001 学号：1091900101 2012年3月18日
不同基体的复合材料性能对比 摘要：本文主要介绍了不同基体的复合材料（金属基、陶瓷基、树脂基）之间的性能对比，以及它们的应用。 关键词：复合材料，金属基，陶瓷基，树脂基，性能对比 正文：复合材料按基体分，可以分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料。下面将对这三种基体的复合材料各举一例进行性能、成型工艺及应用上的对比。分别是碳化钛增强基复合材料、(C/SiC)陶瓷基复合材料、环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)树脂基复合材料。 一、性能对比 碳化钛增强铝基复合材料：新型的优质耐磨、耐热材料，具有优良的综合性能。室温力学性能：抗拉强度σ_b=300-500MPa;屈服强度σ=250-400MPa;延伸率δ=5-15% ;硬度HB80-HB160。抗磨损性能：该种材料在性能上最突出的优势是抗磨损。在等同条件下,复合材料的抗磨损性能比铜基耐磨合金高5-10倍。密度(比重)ρ=2.8g/cm^3,是铜(ρ=8.9)的三分之一。摩擦系数：在油润滑条件下,摩擦系数(摩擦副为中碳钢) 和铜合金相仿;膨胀系数：2.2×10^(-6)/℃,略大于铜基耐磨合金(2.0×0^(-6)/℃)。 (C/SiC)陶瓷基复合材料：具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点，其密度为2～2.5 g/cm3，仅是高温合金和铌合金的1/3～1/4，钨合金的1/9～1/10。碳纤维增韧碳化硅(C/SiC)的应用可覆盖瞬时寿命(数十秒～数百秒)、有限寿命(数十分钟～数十小时)和长寿命(数百小时～上千小时)3类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2 800～3 000 ℃；用于有限寿命的液体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2 000～2 200 ℃；用于长寿命航空发动机，C/SiC的使用温度为1 650℃。 EP/CF复合材料：材料特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF 复合材料具有优异的性能，与钢相比，EP/CF复合材料的比强度为钢的4.8～7.2倍，比模量为钢的3.1～4.2倍，疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍，而且高温性能好，工作温度达400℃时其强度与模量基本保持不变。此外还具有密度和线膨胀系数小、耐腐蚀、抗蠕变、整体性好、抗分层、抗冲击等，在现有结构材料中，其比强度、比模量综合指标最高。在加工成型过程中EP/CF复合材料具有易大面积整体成型、成型稳定等独特的优点。 二、成型工艺对比 碳化钛增强铝基复合材料：原位自生法，成型工艺简单。 (C/SiC)陶瓷基复合材料：制造方法有反应烧结(RB)，热压烧结(HP)，前驱体浸渍热解(PIP)，反应性熔体渗透(RMI)以及CVI，CVI－PIP，CVI－RMI和PIP－HP等。 EP/CF陶瓷基复合材料：成型方法多种多样，主要有：手糊成型、树脂传递成型、真空袋法成型、树脂膜熔浸成型、预浸料成型、低温固化预浸料成型、拉挤成型。 三、应用对比 碳化钛增强铝基复合材料：可以替代铜基耐磨合金作为机械、汽车等工业产品或设备中的轴瓦、衬套、汽车变速器同步环等零件的原材料,从而提高零件的使用寿命,低零件的成