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相對密度超 99.47% ！納米陶瓷復合材料——各領域的 “實力擔當”

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-20 15:30:29

在當今科技飛速發展的時代，新材料的研發與應用不斷推動著各個領域的變革與進步。從航空、航天和國防等高科技領域，到與人們日常生活息息相關的家居、健康等領域，新材料都扮演著至關重要的角色。其中，納米陶瓷復合材料以其獨特的優勢逐漸嶄露頭角，成為備受矚目的焦點材料。它融合了陶瓷材料本身的優良特性以及納米技術帶來的微觀結構優化和性能提升，在眾多方面展現出巨大的應用潛力，有望開啟未來科技生活的新紀元，接下來我們將對其進行全面且深入的探討。

一、納米陶瓷復合材料在高溫領域的應用及發展

高溫陶瓷復合材料的重要性及面臨的挑戰：

在航空、航天和國防等高科技領域，高超音速飛行器是全球競爭的核心所在。這些尖端裝備的技術革新對新材料有著迫切的需求，不斷推動著新材料的研究與發展。而在眾多材料中，SiC 陶瓷及其復合材料尤為引人注目。它們憑借卓越的強度和耐高溫特性，在高溫端頭、噴嘴、機翼前沿等關鍵熱端結構部件中有著巨大的應用潛力，對于在極端條件下保持飛行器結構完整性、提升飛行器性能起著至關重要的作用。

然而，現有的單相 SiC 陶瓷基復合材料存在明顯局限。在 1800℃左右的溫度下服役時，其力學性能會迅速下降，并且還面臨主動氧化的問題，這極大地限制了它們在 2000℃以上極端熱氣流環境中的長期應用能力。為了克服這些挑戰，科研人員積極探索新的材料配方和制造技術，旨在提高 SiC 陶瓷基復合材料的耐高溫性能和抗氧化能力。

高溫陶瓷復合材料的創新設計思路：

為了實現耐高溫性能等方面的提升，研究人員嘗試了多種創新策略。一方面，在超高溫陶瓷的研究領域，科學家們探索將 ZrC、ZrB2、HfB2、TaC 等具有優異高溫性能的材料與 SiC 陶瓷相結合，期望實現材料性能的最大化。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。進一步研究發現，SiC-ZrB2-ZrC 復相陶瓷能在高達 2000℃的溫度下保持結構穩定，其抗性能衰退的能力甚至超過了單一的 ZrB2-SiC 體系。當前的研究趨勢主要聚焦于兩相或三相陶瓷復合體系的開發，不過，對于包含四相及以上多元復相陶瓷及其復合材料的研究則相對匱乏。

一個具有潛力的新方向是將 SiC 作為主相，并引入 ZrC、ZrB2 和 BN 來構建新型復合材料。這些基于鋯的材料不僅具備高熔點、高強度和高硬度的特性，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形成硅酸鋯（ZrSiO4）相，有效封閉表面孔隙或缺陷，并減緩內部氧化速率。此外，引入六方氮化硼（BN）可以降低復合材料的彈性模量，提高其斷裂韌度和抗損傷容限，這對于提升材料整體性能意義重大。

纖維增韌技術在高溫陶瓷復合材料中的應用及問題：

除了材料復合體系的創新，纖維增韌技術也是提升陶瓷材料高溫性能的關鍵環節。為了進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增韌方法的同時，特別關注了纖維增韌技術的進展。纖維增韌技術通過在陶瓷基體中引入短碳纖維，顯著提升了材料的韌性和強度。短碳纖維增強的超高溫陶瓷基復合材料（Csf/UHTCMC）因其制備工藝簡單、生產周期短、成本效益高以及能夠實現三維空間內的增韌效果而成為研究熱點。

但碳纖維與陶瓷基體之間的界面反應是不容忽視的問題。這種界面反應可能導致碳纖維與陶瓷基體及表面氧化物、金屬或非金屬雜質之間發生化學反應，形成強結合界面。強結合界面不僅限制了碳纖維在高載荷下的拔出能力，還可能因為化學反應致使碳纖維遭受嚴重侵蝕損傷，從而削弱了其補強和增韌的效果。為此，研究人員正在尋求新策略來優化碳纖維與陶瓷基體之間的界面特性，保障復合材料在極端環境下的性能穩定性和可靠性。比如開發新型表面處理技術以改善纖維與基體之間的粘附力，探索添加適當的中間層材料來減少化學侵蝕風險，同時，對復合材料微觀結構進行精心設計，以實現最佳的力學性能和耐久性。

納米技術助力高溫陶瓷復合材料性能改善：

在改善高溫陶瓷復合材料性能方面，納米技術也發揮了重要作用。研究發現，非氧化物陶瓷粉體表面的氧化物薄膜可能會加速陶瓷分解、促進晶粒粗化，并降低燒結驅動力。針對這一情況，由多所高校組成的聯合研究團隊展開深入探究，利用納米級陶瓷粉體和低溫燒結技術，在碳纖維表面制備涂層，并通過高溫熱處理有效減輕了短碳纖維在燒結過程中的侵蝕損傷。盡管這一做法可能會增加生產成本和工藝復雜性，限制了碳化硅纖維/超高溫陶瓷基復合材料（Csf/UHTCMC）的大規模應用潛力，但它為復合材料領域的發展開辟了新路徑。

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

二、納米復合陶瓷改善脆性及增韌補強機理

陶瓷材料脆性問題及納米復合陶瓷的出現:

陶瓷材料本身具有硬度高、化學性質穩定、熱膨脹系數小等一系列優良特性，在能源、軍工、機械、化工、電子信息等眾多領域有著廣泛應用。但陶瓷材料存在高脆性這一弱點，限制了其在某些高端領域的應用，如何改善這一問題一直是陶瓷材料研究者關注的焦點。隨著納米粉體制備技術的不斷發展，納米復合陶瓷應運而生，為解決陶瓷材料的高脆性提供了新的思路。

納米復合陶瓷的微觀結構及對力學性能的影響:

納米復合陶瓷中的納米相以兩種形式存在，一種是分布在微米級陶瓷晶粒之間的晶間納米相；另一種則“嵌入”基質晶粒內部，被稱為晶內納米相或“內晶型”結構。這兩種結構共同作用產生了穿晶斷裂和多重界面兩個顯著效應，對材料的力學性能起到重要影響。

以研究者采用納米級碳化硅粉和微米級氧化鋁粉為原料，使用真空熱壓爐燒結制備出的 Al2O3/SiC 納米復合陶瓷為例，其具有相對密度高（超過 99.47%），彎曲強度高（507.82MPa）、斷裂韌性好（4.75MPa·m1/2）、維氏硬度（1824.96Hv）高等優點。其微觀結構顯示 Al2O3/SiC 陶瓷中存在著種類豐富的位錯組態和位錯結構，這在一般陶瓷中是較為罕見的。

殘余應力對納米復合陶瓷性能的作用:

納米復合陶瓷相間熱膨脹系數的失配和彈性模量的差異對材料性能影響顯著，其中熱膨脹系數失配在第二相顆粒及周圍基體內部產生殘余應力場，這是復合陶瓷補強增韌的主要根源之一。

比如在 Al2O3/SiC 系和 MgO/SiC 系中，盡管基質的熱膨脹系數比納米相的大，裂紋偏轉增韌程度較小，但由于殘余熱應力以壓應力的方式作用在兩相界面上，使得兩相界面結合牢固，進而可能實現“內晶型”納米粉體粒子對穿晶裂紋的二次偏轉而耗散能量，最終提高材料的韌性。研究者通過應變分析和理論推算，提出 Al2O3/SiC 納米復合陶瓷中隨 SiC 增加，第二相顆粒間距縮小，垂直于裂紋擴展方向的殘余拉應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%對應著體系最高韌性。

納米復合陶瓷的增韌補強機理分類：

目前關于納米復合陶瓷的增強韌化機理主要分為四類：

1.細化基體顆粒

為改善先進陶瓷的性能，細、密、勻、純的陶瓷粉體是重要發展方向。陶瓷粉體的細化使得組織結構更加均勻，減小了應力集中及顯微裂紋的尺寸；細晶結構導致晶界體積分數增加，陶瓷斷裂過程生成的新表面積增大，因此斷裂前吸收的外界能量增加，宏觀上表現為陶瓷斷裂韌性提高。例如采用納米級 B2O3、Al、石墨和 B4C 粉體為原料制備的 B4C/Al2O3 納米復合陶瓷，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 共同構成的復雜中間相填充在主相與第二相之間，復相陶瓷的密度、硬度、抗彎強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碳化硼陶瓷提高了 85.7%。

2.界面自增韌

Si3N4/SiC 片層復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、易斷裂問題。Si3N4/SiC 片層復合陶瓷材料在界面處大量存在的燒結助劑有利于氮化硅棒晶生長，大尺寸的氮化硅棒晶將氮化硅層與碳化硅層連接起來，產生界面自韌化的效果。材料的彎曲強度大于 700MPa，收縮率﹤15％，同時，其韌性可到 16MPa·m1/2 以上，完全可以滿足高韌性陶瓷材料的使用要求，其斷裂功﹥6KJ/m2，材料的斷裂預警明確，具有高的安全系數。

3.微裂紋增韌

微裂紋增韌是通過微裂紋分散主裂紋尖端能量來提高材料韌性的方法，即微裂紋在擴展和形成新的微裂紋過程中消耗部分能量，以達到宏觀增韌效果。微裂紋通常存在于由線脹系數不匹配或相變所致的局部張力區內。以 Al2O3/ZrO2/ZrSiO4 復合陶瓷材料為例，該復合陶瓷材料中 ZrSiO4 為主要晶相，另外還有少量 Al2O3 和 ZrO2 存在；第二種增強體 ZrO2 的最佳引入量為 20%（質量分數）；確定復合材料的強韌化是由 Al2O3 和 ZrO2 納米顆粒引起的裂紋偏轉、微裂紋增韌與 ZrO2 納米顆粒引起的相變增韌共同作用而實現的，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 等長纖維對 Si3N4 陶瓷進行復合增韌。不過，由于晶須或纖維的分散工藝復雜，燒結致密化困難以及與基體的相容性問題，使其實際應用受到一定限制。

三、納米陶瓷復合材料在多領域的廣泛應用

航天航空領域的應用：

SiC 陶瓷基體中引入 SiC 纖維或碳纖維制備的 SiC/SiC、C/SiC 納米復合陶瓷，彌補了陶瓷材料的缺陷，具備耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、抗沖擊等性能，在航空航天領域有著諸多應用，比如可應用在航空發動機、航天發動機、飛行器防熱結構、太空輕質結構、剎車制動、核能、光伏電子等多個方面，主要用于生產發動機燃燒室內襯、噴口導流葉片等產品。目前市場中應用需求較高的主要是 SiC/SiC 納米復合陶瓷。

冶金工業領域的應用：

Si3N4/SiC 納米復合陶瓷由于具有高溫強度好、熱擴散系數低、抗熱震性好等優點，成為了高溫或超高溫領域最具前途的高溫復合結構陶瓷，在冶金工業領域發揮著重要作用，為相關高溫工藝提供了可靠的材料保障。

電子行業的應用：

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

生物醫療領域的應用：

納米復合陶瓷作為生物陶瓷材料，憑借其化學惰性、優異的力學性能和耐磨耐蝕性，成為骨骼、牙齒和關節等組織的置換材料。陶瓷手術刀以及生物液體納米陶瓷過濾膜等醫用工具也是結構陶瓷在醫用領域的重要應用方向。像氧化鋁與氧化鋯復合的陶瓷已成功應用于人體的髖關節及膝關節，為醫療健康領域提供了優質的材料支持。

智能科技與家居領域的應用：

在智能科技領域，納米陶瓷復合材料以其卓越的性能和穩定性，成為智能設備外殼、顯示屏保護層等關鍵部件的理想選擇。它能夠有效抵御外部沖擊和磨損，保護設備內部元件免受損害，同時提供出色的散熱性能，確保設備的穩定運行。

隨著智能家居的普及，納米陶瓷復合材料在家居領域的應用也日益廣泛。從智能門鎖、智能照明到智能家電，納米陶瓷復合材料以其獨特的性能和美觀的外觀，為家居生活帶來更加安全、舒適和便捷的體驗。

健康科技領域的應用：

在健康科技領域，納米陶瓷復合材料憑借良好的生物相容性和抗菌性能，成為醫療設備和健康監測產品的優選材料。它能夠與人體組織緊密貼合，減少排斥反應和感染風險，同時提供精準的監測數據，為健康管理提供有力支持。

四、納米陶瓷復合材料的發展前景

盡管納米陶瓷復合材料在眾多領域的應用仍處于快速發展階段，面臨著成本、工藝和市場需求等諸多挑戰，但隨著技術的不斷突破和市場的日益成熟，其應用前景無疑是越來越廣闊的。

在政策的引導和市場的推動下，納米陶瓷復合材料有望在未來幾年內迎來更加廣泛的應用和更加深入的發展。其作為一種新型的高性能材料，獨特的性能使其契合未來科技生活對綠色、環保和可持續發展的要求，無論是在追求極致性能的高科技領域，還是在提升人們生活品質的民用領域，都將持續發揮重要作用，為科技生活的繁榮注入新的活力，有望開啟未來科技生活的新紀元，成為推動各領域持續創新升級的關鍵力量。

總之，納米陶瓷復合材料憑借其在性能優化、功能拓展以及多領域適用性等方面的突出表現，正逐漸成為材料領域的一顆璀璨明星，值得我們持續關注并深入探索其更多的應用可能和發展潛力。

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來源：賢集網
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