层状陶瓷复合材料制备技术的研究进展

论述了层状陶瓷复合材料的性能特点以及这种材料的发展现状 ,从基体及夹层材料的类型选择和匹配、结构及界面的设计、工艺参数的选取、料浆制备、薄层预制、复合成形、排胶烧结等方面介绍了当前层状陶瓷制备工艺技术的研究进展 ;从性能及结构优化等方面探讨了在复合材料发展中目前存在的不足 ,指出了进一步研究应该解决的问题和未来的发展前景。

层状陶瓷复合材料的制备技术及其研究发展现状和趋势

层状陶瓷复合材料是以陶瓷材料为硬夹层,以氮化硼或石墨为软夹层,并且通过烧结工艺制备出具有层状结构的陶瓷复合材料。层状陶瓷复合材料具有较高的力学性能,良好的耐磨损性能和良好的耐腐蚀性能和良好的抗高温氧化性能等。层状陶瓷复合材料主要包括以氮化硼为夹层的层状陶瓷复合材料,还有以石墨为夹层的层状陶瓷复合材料。主要综述以氮化硼为夹层的层状陶瓷复合材料和以石墨为夹层的层状陶瓷复合材料的制备技术,物相组成,显微结构,力学性能和耐磨损性能,耐腐蚀性能和抗高温氧化性能以及其他性能等。并综述以氮化硼为夹层的层状陶瓷复合材料和以石墨为夹层的层状陶瓷复合材料的研究发展现状和发展趋势,并对层状陶瓷复合材料的未来研究发展趋势进行分析和预测。

层厚比和硬夹层组成对B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料性能的影响

以B4C为基体层材料,BNNTs为基体层补强增韧剂,TiB2为硬夹层,采用水基流延成型和热压烧结工艺制备了B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料。研究了基体层与硬夹层的层厚比、硬夹层组成和烧结温度对层状陶瓷复合材料的显微结构和力学性能的影响。实验结果表明：当层厚比为1,硬夹层组份为80 wt%TiB2＋20 wt%B4C,烧结温度为2050℃时,可以制备出力学性能良好的B4C-BNNTs/TiB2-B4C层状陶瓷复合材料,其抗弯强度和断裂韧性分别达到570.54 MPa和7.74 MPa·m^1/2。

水基流延成型和热压烧结制备TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的研究

以二硼化钛(TiB_2)为硬夹层,硅(Si)粉为基体层碳化硼(B4C)的烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺制备TiB_2流延膜。研究了分散剂含量、粘结剂含量、增塑剂与粘结剂质量比值(R值)以及固相含量对TiB_2流延浆料流变性的影响。实验结果表明:当PEI含量为2wt.%,CMC含量为5wt.%,R值为0.9,固含量为55 wt.%时可制备出高质量的TiB_2流延膜。与本实验室已制备的B_4C-BNNTS流延膜以不同层厚比进行叠层、热压烧结制备出TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料。实验结果表明:当基体层与硬夹层的层厚比为1.8:1时,预制体于2040℃、30 MPa下热压烧结30 min制备的TiB_2/B_4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的力学性能最佳,其抗弯强度和断裂韧性分别达到598.63 MPa和7.84 MPa·m^(1/2)。

SiC-BN层状陶瓷复合材料叠层方式优化设计

层状陶瓷复合材料可有效提高纯陶瓷材料的韧性,受到研究者的广泛关注。在材料设计阶段,通过优化叠层方式可显著提高层状陶瓷的力学性能。然而,在现有研究中缺乏叠层方式的优化设计方法。本研究采用基于复合梁模型的遗传算法得到了最优层厚比;针对SiC-BN层状陶瓷复合材料5∶1、10∶1和梯度体三种铺层形式采用流延成型结合无压烧结法进行材料制备,并进行了完好试件和含缺口试件的三点弯曲试验;基于宏观损伤分析对其增韧机制进行了分析。试验结果表明:通过解析方法计算得到的最优梯度体层状陶瓷的弯曲强度达到434.5 MPa。其力学性能相比于固定层厚比铺层方式有较大提高,同时还保持了较高的缺陷不敏感特性。进一步分析表明:受拉部分分布的较多软层和受压部分分布的较厚硬层是梯度体结构较好性能的重要原因。

TiC-TiB_2陶瓷与Ti6Al4V熔化连接及层状复合材料制备

通过引入Ti-6Al-4V合金板,采用超重力场燃烧合成技术,在制备细晶TiC-TiB2凝固陶瓷的同时,实现了陶瓷-钛合金的熔化扩散焊,进而制备出具有成分梯度特征的陶瓷-钛合金层状复合材料.陶瓷-钛合金层间接头组织表明,正是因超重力场燃烧合成的爆燃特性及超重力场对燃烧产物形成的高温真空环境,使得钛合金表面发生熔化,进而发生液态陶瓷-钛合金液相层间的原子互扩散现象,故在陶瓷-钛合金连接区形成钛合金与富钛碳化物呈相间分布且细小TiB2片晶镶嵌其上的凝固组织,并使陶瓷-钛合金接头呈现成分梯度特征,进而使得陶瓷-钛合金的连接抗剪强度达到450 MPa±35 MPa,层状复合材料硬度从陶瓷至钛合金一侧则呈线性逐渐减小.

Al_2O_3/W层状复合材料性能及微观结构研究

本文利用离心注浆成型法成膜，热压烧结制备了Ａｌ２Ｏ３／Ｗ层状复合材料，研究了Ａｌ２Ｏ３层、金属Ｗ层厚度对材料性能的影响，利用ＸＲＤ、ＳＥＭ对金属Ｗ层的组成及材料微观结构进行了分析和观察，探讨了层状复合材料的微观结构和金属层的组成变化对材料性能的影响．

硼化钛基陶瓷/钛合金梯度纳米结构复合材料组织演化、损伤失效与抗弹性能研究

基于陶瓷/钛合金之间的熔化连接和原子互扩散,采用离心反应熔铸工艺成功制备出具有连续梯度特征的TiB_2基陶瓷/Ti-6Al-4V合金层状复合材料。该复合材料分为陶瓷基体、中间过渡区及金属基底三层结构,且陶瓷/钛合金层间原位形成以陶瓷相(TiB_2,TiC_(1-x))、Ti基合金相的尺寸和体积分数为特征的梯度纳米结构(微米?微纳米?纳米)复合界面。测试表明该复合材料层间剪切强度、弯曲强度、断裂韧性分别达到335MPa±35MPa、862MPa±45MPa和45MPa×m^(1/2)±15MPa×m^(1/2)。陶瓷/钛合金层间剪切断裂诱发TiB_2、TiB棒晶的自增韧机制及有限的Ti基合金延性相增韧机制,使层间剪切测试与三点弯曲测试得出的载荷/位移曲线均呈现出近乎线性上升趋势。对TiB_2基陶瓷、陶瓷/钛合金层状复合材料进行14.5军用制式穿甲弹DOP靶试,得出两种材料的平均防护系数分别为3.05和7.30。陶瓷/钛合金层间原位生成的梯度纳米结构复合界面不仅改善了陶瓷/钛合金之间声阻抗匹配,而且也使陶瓷/钛合金层间保持高的结合强度。陶瓷/钛合金层状复合材料遭受弹体冲击时,将诱发界面载荷传递与剪切耦合的双重效应,最终在表观上使陶瓷/钛合金层状复合材料的防弹性能得以显著提升。

TiB_2基陶瓷/Ti-6Al-4V合金梯度纳米复合材料组织演化与力学性能

基于陶瓷/钛合金之间的液态熔合扩散,采用离心反应熔铸工艺制备出Ti B_2基陶瓷/Ti-6Al-4V合金层状复合材料,并在层间出现Ti B_2、Ti C_(1-x)呈空间尺度连续梯度演化的梯度纳米复合结构。经层间剪切强度、三点弯曲强度与单边切口梁(SENB)断裂韧性测试,该复合材料层间剪切强度、弯曲强度与断裂韧性分别达到335±35 MPa、862±45 MPa与45±15 MPa·m^(0.5)。

超重力场反应加工TiB_2基凝固陶瓷——Ti-6Al-4V多尺度多层次复合研究

采用超重力场反应加工技术,通过陶瓷-钛合金之间熔化连接与原子互扩散,制备出TiB2基凝固陶瓷—Ti-6Al-4V层状复合材料。XRD、FESEM及EDS分析发现,正是作为陶瓷基体相的TiB2片晶(或板晶)可诱发强烈的自增韧机制,使TiC-TiB2细晶凝固陶瓷具有高的弯曲强度与断裂韧性,并且也正是因在超重力场反应加工引发的热真空环境下钛合金与液态陶瓷发生熔化连接与原子互扩散,进而在凝固后期相继诱发TiB2与Ti液的包晶反应、TiB自钛液的析晶反应及TiB与钛液的共晶反应,最终实现以TiB2、TiB尺寸与分布为特征的陶瓷—钛合金多尺度(微米—亚微米—微纳米)多层次(TiC/TiB2—TiC1-x/TiB/TiB2—TiB2/Ti/TiC1-x/TiB—TiB2/TiC1-x/TiB/Ti—TiB/TiC1-x/Ti—TiC1-x/Ti—Ti)复合。

超重力场反应加工TiB_2基陶瓷与钛合金复合的研究

采用超重力场反应加工技术,通过陶瓷-钛合金之间熔化连接与原子互扩散,成功制备出TiB2基凝固陶瓷-Ti-6Al-4V层状复合材料。经XRD、FESEM及EDS分析发现,正是作为陶瓷基体相的TiB2片晶(或板晶)可诱发强烈的自增韧机制,使TiC-TiB2细晶凝固陶瓷具有高的弯曲强度与断裂韧度,并且是在超重力场反应加工引发的热真空环境下钛合金与液态陶瓷的熔化连接与原子互扩散,进而在凝固后期诱发TiB2与Ti液的包晶反应、TiB自钛液的析晶反应及TiB与钛液的共晶反应,最终实现以TiB尺寸、分布为特征的陶瓷-钛合金多尺度(微米-亚微米-微纳米)多层次(TiC/TiB2-TiC1-x/TiB/TiB2-TiB2/Ti/TiC1-x/TiB-TiB2/TiC1-x/TiB/Ti-TiB/TiC1-x/Ti-TiC1-x/Ti-Ti)复合。