金属陶瓷复合材料

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
料烧结及机械性能成为当前金属陶瓷材料制备中的一个重要问题。

当液体金属与固体陶瓷接触时就会形成一个界面，如图1 所示通常人们用接触角（θ）来表示两相间润湿性的好坏，
图1 液体在固体表面的润湿
θ=arccos｛（（γsv）-（γsl））/（γlv）｝
（式中γ
sv --陶瓷基体表面能，γ
sl
--陶瓷基体与金属液滴间固液界面能，γ
lv
--
金属液滴表面能）。

θ>90°表明金属不润湿陶瓷，θ<90°表明金属润湿陶瓷。

一般来讲，润湿性越，两相结合越好。

改善两相的润湿性,通常可采取如下的几种方法：
第一，在金属陶瓷中加入第二种点阵类型与第一种金属相同的多价金属，加入合金元素改善润湿性有三种机制①降低液相（金属基体）的表面张力②降低固/液界面能③在固液界面参与界面反应。

加入反应性合金元素是普遍采用的一种方法。

对于，由反应导致润湿程度增加的原因现有两种说法：一是准化学润湿理论，认为形成新相的Gibb自由能越负，θ越小；另一种是界面反应产物的电子结构理论，即反应产物的电子结构与金属越接近，其润湿性越好。

一般来讲，加入到液态金属的活性元素含量越高，其润湿性能越好。

加入反应性的元素，已应用于比较多的体系，以提高润湿性。

在 Cu/Al
2O
3
体
系中加入 Ti；Al/C 中加入P；Cu/C 中加入Ti ，Cr，Zr，Mn；Al或Al 合金/ZrO
2
SiO
2、云母、SiC TiO Al
2
O
3
、石墨中加Mg 都可显著地提高润湿性。

第二，加入少量其它氧化物（如V
2
O
5
MoO
3
WO
3
）其熔点应比金属陶瓷的烧
结温度低，又能被氢还原成高熔点金属，这些被还原的新生态金属微粒子附着在陶瓷表面，具有很高的化学活性，可以显著地促进两相的润湿。

第三，提高陶瓷组分的细度、分散度及增加表面缺陷来改善两相间的润湿性。

陶瓷细度以及分散度的加大必然增大了陶瓷相的比表面积和反应活性，增加表面
缺陷可起到加大陶瓷表面能的作用，同样提高了陶瓷相的反应活性从而促进了润湿。

第四，使用涂层技术。

陶瓷表面的金属涂层或经表面处理后可以提高表面能，用新形成的金属陶瓷界面代替原来结合性不好的界面，从而提高了润湿性，Ni 涂层用于Al基复合材料效果比较明显，Ni可以和Al 反应形成稳定的金属间化合
物NiAl
3，Ni
2
Al
3
等。

但有一个缺点，这些化合物是脆性相。

另外，Ag、Cr等金
属也用于制作涂层，Ag可以浸润陶瓷表面形成胶状溶体而构成涂层，而Ag与Al 有很好的润湿性但不形成脆性的金属间化合物。

2.2金属陶瓷的相间热力学共存性
当一个多晶体、几种晶体的混合体或晶体及玻璃体的混合体加热到烧成温度时，如果在不同的晶向上膨胀系数不同，或者是不同的晶体有不同的膨胀系数，则不同的晶粒在冷却时就会有不同的收缩量。

由于结构中各相膨胀收缩的相互牵制产生热应力。

陶瓷材料的热膨胀系数一般比金属低，差别在 10-5/K,左右。

因此在材料复合过程中两种材料各自产生差异较大的膨胀和收缩行为，必然在两相界面产生较大的热应力。

金属陶瓷中陶瓷相和金属相不仅仅要具有化学稳定性和相互之间适度的可溶性，同时还必须满足热力学共存性的要求，即在适当的弹性模量情况下，要有相近的热膨胀系数。

否则，金属陶瓷材料在加热和冷却过程中，当热膨胀系数显著差异的情况下，相界面处可能产生应力，并能导致裂缝的产，破坏制品的整体性。

σ=-Eα(T´-T0)
为了确定相内应力，有些学者研究了从高温冷却时两相界面上所有点的状态，认为当球形陶瓷颗粒被金属相包围时，在快速冷却（t→0）情况下，将产生最大的应力，为了在这样的冷却条件下不产生裂纹，必须按下式进行
αMc-αc<τc/(4π3E cΔT)
式中 E
c -陶瓷相的弹性模量；△T-加热和冷却的温度差；α
c
-金属相、陶瓷相的
膨胀系数；τ
c
-界面切应力；r- 陶瓷微粒尺寸。

由上式可以看出陶瓷/金属复合材料中的陶瓷微粒尺寸r越小，则允许金属和陶瓷的热膨胀系数就可以越大，在此情况下急剧冷却时，就不会出现陶瓷淦属复合材料的破裂。

所以为了制取具有高热稳定性的陶瓷/金属复合材料，必须要
采用小尺寸的陶瓷微粒。

实践指出，当系统中两相热膨胀系数差额为10×10-6℃时，制品会破坏，,差值为5×10-4℃时制品尚能承受，解决两相间热膨胀系数差异过大问题有以下几种途径：
第一，梯度功能材料缓和热应力方案。

功能梯度材料两侧由不同性能的组分组成，其中间部分组成的结构又是连续变化的，达到使不同相之间内部界面消失，从而减小和克服结合部位的性能不匹配因素。

常用的功能梯度材料合成方法有等离子喷涂法、物理和化学气相沉积法、自蔓延高温燃烧合成法等。

第二，加入合金元素法。

通过加入合金元素对金属相或陶瓷相进行改性，使膨胀系数与基质相相匹配。

第三，在金属相和陶瓷相之间加中间层。

选择与金属相和陶瓷相有良好亲和
性，且膨胀系数介于两基质之间的中间层。

如Al
2O
3
-Ni金属陶瓷采用化学镀方法
在颗粒表面镀TiN，促进了两界面的结合，Al
2O
3
-TiN-Ni材料的抗压强度和屈服
强度都比原来提高50%。

3、金属陶瓷复合材料的应用
由于金属陶瓷具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温等优点，在国防及民用领域有着非常广阔的发展前景。

硬质合金是工业应用最早、用量最大的一类金属陶瓷，在切削工具、磨具、耐磨、耐热、耐蚀等方面得到广泛应用，并由此促进了以氧化物、硼化物、氮化物、碳氮化物陶瓷相为硬质相的金属陶瓷的发展。

目前，金属陶瓷的主要制品有刀具、磨具、磁性材料加热元件、耐磨轴承、耐腐蚀部件被广泛应用在冶金生产、涡轮机制造及火箭技术上。

结论：如果能够克服金属与陶瓷相界面的润湿性、热力学共存性对金属陶瓷的性能的影响的话，金属陶瓷的应用前景会非常广阔
参考文献
关振铎等编.无机材料物理性能.[M].北京：清华大学出版社.1992.3 .151-152. 樊新民等编.工程陶瓷及其应用.[M].北京：机械工业出版社.2006.6 .77-85. 曹晓明等编.先进结构材料.[M].北京：化学工业出版社.2005.4.114-117.
50-60。