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什么是陶瓷基体:陶瓷基体的类型

传统的陶瓷是指陶器和瓷器,也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。由于这些材料都是以含二氧化硅的天然硅酸盐物质,如黏土、石灰粉、沙子等为原料制成的,所以陶瓷纤维材料也是硅酸盐材料。随着现代科学技术的发展,出现了许多性能优异的新型陶瓷,它们不仅含有氧化物,还有碳化物、硼化物等。

陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物,其键合是离子键,与金属不同,它们含有大量电子,一般而言,陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度,化学性质非常稳定,耐热性、抗老化性皆佳。通常陶瓷是绝缘体,在高温下也可以导电,但比金属导电性差得多。虽然陶瓷的许多性能优于金属,但它们也存在致命的弱点,基体脆性强,韧性差,很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎,引起不可预测的灾难性后果,因此大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。

近年来的研究表明,在陶瓷基体中添加其他成分,如陶瓷粒子、纤维或晶体,可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽然能使陶瓷的韧性有所提高,但效果并不明显。20世纪40年代,美国电话系统常常发生短路故障,检查发现蓄电池极板表面出现一种针状结晶物质。进一步的研究表明,这种结晶与基体极板金属结晶相似,但强度和模量都很高,并呈胡须状,故命名为晶须,最常用的晶须是碳化硅晶须,其强度大,容易掺杂在陶瓷基体中,已成功地用于增强多种陶瓷。

用作基体材料使用的陶瓷一般具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。

1.玻璃

玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。与其他陶瓷材料不同,玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料,即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。在玻璃胚体的烧结过程中,由于复杂的物理化学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物的熔融液相,其黏度较大,并在冷却过程中进一步迅速增大。一般当黏度增大到一定程度(约1012Pa·s)时,熔体硬化并转变为具有固体性质的无定型物体即玻璃,此时相应的温度称为玻璃转变温度 。当温度低于 时,玻璃表现出脆性。加热时玻璃熔体的黏度降低,在达到某一黏度(约108Pa·s)所对应的温度时,玻璃显著软化,这一温度称为软化温度 。 和 的高低主要取决于玻璃的成分。

2.玻璃陶瓷

许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态,这一过程称为反玻璃化。由于玻璃化使玻璃成为多晶体,透光性变差,而且因体积变化还会产生内应力,影响材料硬度,所以通常应当避免发生玻璃化过程,但对于某些玻璃,反玻璃化过程可以控制,最后能够得到无残余应力的微晶玻璃,这种材料称为玻璃陶瓷。为了实现反玻璃化,需要加入形核剂(如TiO )。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和热导率较大等特点,玻璃陶瓷基复合材料的研究在国内外受到重视。

3.氧化物陶瓷

作为基体材料使用的氧化物陶瓷纤维主要有莫来石(即富铝红柱石,化学式为3Al ·2SiO )等,它们的熔点在2000℃以上。氧化物陶瓷主要为单相多晶结构,除晶相外,可能还含有少量气相(气孔),微晶氧化物的强度较高,粗晶结构时,晶界上的残余应力较小,对强度不利,氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低,但在1000℃以下降低较小。这类陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是由于 Al 和ZrO 的抗热振性较差,SiO 在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数,但使用温度也不宜超过1200℃。

4.非氧化物陶瓷

非氧化物是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好,硬度高,但是脆性也很强。碳化物和硼化物的抗热氧化温度为900℃~1000℃,氮化物略低些,硅化物的表面形成氧化硅膜,所以抗热氧化温度达1300℃~1700℃。氮化硼具有类似石墨的六方结构,在高温(1360℃)和高压作用下转变成立方结构的β-氮化硼,耐热温度高达2000℃,硬度极高,可作为金刚石的代用品。

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