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Al2O3陶瓷材料介紹說明
Al2O3陶瓷作為常見陶瓷材料,既具有普通陶瓷耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度等特點(diǎn),又具備優(yōu)良的抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性、低密度等特性,且來源廣泛,價(jià)格便宜。因此,在航空航天、國防軍工、機(jī)械、電子、、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但純Al2O3陶瓷材料的韌性很差,室溫下的斷裂韌性只有3MPam1/2左右,這又制約了其優(yōu)良性能的發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。金屬材料具有良好的韌性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性,但密度大,硬度低,耐蝕及耐磨性相對較差。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界鋼產(chǎn)量的1/10因腐蝕而損失,我國每年材料磨損損失近150億元。因此,改善Al2O3陶瓷材料脆性(即增韌技術(shù))的研究,以及利用Al2O3陶瓷耐蝕、高硬、耐磨等特性,以其作為增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料的研究與制備,成為當(dāng)今開發(fā)Al2O3陶瓷材料的兩大主題。本文從Al2O3陶瓷增韌技術(shù)和Al2O3陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兩方面,結(jié)合近年來國內(nèi)外研究成果,對Al2O3陶瓷材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹,并分析了其未來的發(fā)展趨勢。
耐磨Al2O3陶瓷/金屬復(fù)合材料
鎂、鋁合金是常用中、低溫結(jié)構(gòu)材料,但兩者耐磨性較差,Al2O3陶瓷增強(qiáng)是改善兩者耐磨性的常用方法,Al2O3陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金和短纖維增強(qiáng)鎂合金均取得不錯(cuò)成效。但鎂、鋁合金熔點(diǎn)較低,不宜用于高溫(>1000)耐磨材料。鋼鐵材料價(jià)格便宜,熔點(diǎn)高,是較理想的選擇。但Fe與Al2O3陶瓷的潤濕性較差,潤濕角在1550時(shí)約為140,導(dǎo)致兩者界面結(jié)合力較弱,將制約復(fù)合材料耐磨性能的發(fā)揮。
但在摩擦磨損過程中,顆粒或短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中的Al2O3增強(qiáng)體易從基體中拔出、脫落,而使摩擦性能不穩(wěn)定。三維網(wǎng)絡(luò)Al2O3陶瓷/金屬復(fù)合材料地改善了該狀況:其金屬相與陶瓷相各自具有空間連續(xù)性,摩擦過程中陶瓷相不易脫落;硬質(zhì)Al2O3在磨損表面形成微凸體并起承載作用,結(jié)構(gòu)互鎖了金屬基體的塑性變形和高溫軟化,減輕了黏著磨損,因此摩擦性能優(yōu)于顆粒或短纖維增強(qiáng)材料,這一點(diǎn)Imbeni等曾給予證明。
鋁合金熔點(diǎn)低,制備網(wǎng)絡(luò)Al2O3/鋁合金復(fù)合材料一般采用擠壓鑄造(壓力浸滲法)。鋼鐵熔點(diǎn)高,普通金屬模具難滿足要求,故不宜采用壓力浸滲,而選擇無壓浸滲;此外,鐵液與Al2O3陶瓷不潤濕,不能形成毛細(xì)現(xiàn)象,又限制了無壓浸滲過程。對此,Lemster等，將活性Ti與CaCl2,KCl,NaCl等鹽混合后熔敷在Al2O3網(wǎng)絡(luò)陶瓷預(yù)制體表面,無壓浸滲液態(tài)鐵基合金取得了較好的效果。專利CN1727096提出了分鑄造的方法:熔滲金屬置于高溫加熱層,電鍍或包覆金屬處理的Al2O3網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架置于低溫加熱層的金屬模具(表面涂覆陶瓷耐熱層)中,利用真空氣壓鑄造法制備了網(wǎng)絡(luò)Al2O3/鋼鐵復(fù)合材料。
采用經(jīng)濟(jì)的方法也改善了兩者浸滲和結(jié)合狀況:將Ni粉與Al2O3陶瓷粉球磨、壓制、燒結(jié)成Ni/Al2O3復(fù)相陶瓷預(yù)制體,在1600下利用Fe基合金液無壓浸滲該預(yù)制體。陶瓷內(nèi)的熔態(tài)Ni在Al2O3陶瓷表面形成微熔池,在其內(nèi)部形成三維連續(xù)Ni液通道,并與合金液發(fā)生互溶擴(kuò)散,誘導(dǎo)合金液浸滲到陶瓷內(nèi)部。所制備的鐵基合金/Al2O3陶瓷復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度超過60MPa(抗拉強(qiáng)度),在Ni的誘導(dǎo)作用下,鐵基合金液的浸滲距離超過400m。
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