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相对密度超 99.47% ！纳米陶瓷复合材料——各领域的 “实力担当”

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-20 15:30:29

在当今科技飞速发展的时代，新材料的研发与应用不断推动着各个领域的变革与进步。从航空、航天和国防等高科技领域，到与人们日常生活息息相关的家居、健康等领域，新材料都扮演着至关重要的角色。其中，纳米陶瓷复合材料以其独特的优势逐渐崭露头角，成为备受瞩目的焦点材料。它融合了陶瓷材料本身的优良特性以及纳米技术带来的微观结构优化和性能提升，在众多方面展现出巨大的应用潜力，有望开启未来科技生活的新纪元，接下来我们将对其进行全面且深入的探讨。

一、纳米陶瓷复合材料在高温领域的应用及发展

高温陶瓷复合材料的重要性及面临的挑战：

在航空、航天和国防等高科技领域，高超音速飞行器是全球竞争的核心所在。这些尖端装备的技术革新对新材料有着迫切的需求，不断推动着新材料的研究与发展。而在众多材料中，SiC 陶瓷及其复合材料尤为引人注目。它们凭借卓越的强度和耐高温特性，在高温端头、喷嘴、机翼前沿等关键热端结构部件中有着巨大的应用潜力，对于在极端条件下保持飞行器结构完整性、提升飞行器性能起着至关重要的作用。

然而，现有的单相 SiC 陶瓷基复合材料存在明显局限。在 1800℃左右的温度下服役时，其力学性能会迅速下降，并且还面临主动氧化的问题，这极大地限制了它们在 2000℃以上极端热气流环境中的长期应用能力。为了克服这些挑战，科研人员积极探索新的材料配方和制造技术，旨在提高 SiC 陶瓷基复合材料的耐高温性能和抗氧化能力。

高温陶瓷复合材料的创新设计思路：

为了实现耐高温性能等方面的提升，研究人员尝试了多种创新策略。一方面，在超高温陶瓷的研究领域，科学家们探索将 ZrC、ZrB2、HfB2、TaC 等具有优异高温性能的材料与 SiC 陶瓷相结合，期望实现材料性能的最大化。例如 ZrB2-SiC 体系在高温下能够形成硼硅酸盐保护层，即便处于 1800℃的极端温度下，也能维持材料表面的完整性。进一步研究发现，SiC-ZrB2-ZrC 复相陶瓷能在高达 2000℃的温度下保持结构稳定，其抗性能衰退的能力甚至超过了单一的 ZrB2-SiC 体系。当前的研究趋势主要聚焦于两相或三相陶瓷复合体系的开发，不过，对于包含四相及以上多元复相陶瓷及其复合材料的研究则相对匮乏。

一个具有潜力的新方向是将 SiC 作为主相，并引入 ZrC、ZrB2 和 BN 来构建新型复合材料。这些基于锆的材料不仅具备高熔点、高强度和高硬度的特性，而且在高温氧化后能在材料表面形成致密的氧化锆（ZrO2）层或与硅基氧化物反应形成硅酸锆（ZrSiO4）相，有效封闭表面孔隙或缺陷，并减缓内部氧化速率。此外，引入六方氮化硼（BN）可以降低复合材料的弹性模量，提高其断裂韧度和抗损伤容限，这对于提升材料整体性能意义重大。

纤维增韧技术在高温陶瓷复合材料中的应用及问题：

除了材料复合体系的创新，纤维增韧技术也是提升陶瓷材料高温性能的关键环节。为了进一步提高陶瓷材料的抗冲击性和损伤容限，研究人员在探索传统增韧方法的同时，特别关注了纤维增韧技术的进展。纤维增韧技术通过在陶瓷基体中引入短碳纤维，显著提升了材料的韧性和强度。短碳纤维增强的超高温陶瓷基复合材料（Csf/UHTCMC）因其制备工艺简单、生产周期短、成本效益高以及能够实现三维空间内的增韧效果而成为研究热点。

但碳纤维与陶瓷基体之间的界面反应是不容忽视的问题。这种界面反应可能导致碳纤维与陶瓷基体及表面氧化物、金属或非金属杂质之间发生化学反应，形成强结合界面。强结合界面不仅限制了碳纤维在高载荷下的拔出能力，还可能因为化学反应致使碳纤维遭受严重侵蚀损伤，从而削弱了其补强和增韧的效果。为此，研究人员正在寻求新策略来优化碳纤维与陶瓷基体之间的界面特性，保障复合材料在极端环境下的性能稳定性和可靠性。比如开发新型表面处理技术以改善纤维与基体之间的粘附力，探索添加适当的中间层材料来减少化学侵蚀风险，同时，对复合材料微观结构进行精心设计，以实现最佳的力学性能和耐久性。

纳米技术助力高温陶瓷复合材料性能改善：

在改善高温陶瓷复合材料性能方面，纳米技术也发挥了重要作用。研究发现，非氧化物陶瓷粉体表面的氧化物薄膜可能会加速陶瓷分解、促进晶粒粗化，并降低烧结驱动力。针对这一情况，由多所高校组成的联合研究团队展开深入探究，利用纳米级陶瓷粉体和低温烧结技术，在碳纤维表面制备涂层，并通过高温热处理有效减轻了短碳纤维在烧结过程中的侵蚀损伤。尽管这一做法可能会增加生产成本和工艺复杂性，限制了碳化硅纤维/超高温陶瓷基复合材料（Csf/UHTCMC）的大规模应用潜力，但它为复合材料领域的发展开辟了新路径。

此外，研究还意外发现，在陶瓷基复合材料中添加特定烧结助剂能去除陶瓷粉体表面杂质、降低烧结温度，并抑制晶粒生长。这种助剂的使用不仅促进了复合材料的烧结致密化，还抑制了碳纤维与陶瓷基体间的界面反应，减轻了碳纤维的侵蚀损伤，对提升材料性能和延长使用寿命有着重大意义。

二、纳米复合陶瓷改善脆性及增韧补强机理

陶瓷材料脆性问题及纳米复合陶瓷的出现:

陶瓷材料本身具有硬度高、化学性质稳定、热膨胀系数小等一系列优良特性，在能源、军工、机械、化工、电子信息等众多领域有着广泛应用。但陶瓷材料存在高脆性这一弱点，限制了其在某些高端领域的应用，如何改善这一问题一直是陶瓷材料研究者关注的焦点。随着纳米粉体制备技术的不断发展，纳米复合陶瓷应运而生，为解决陶瓷材料的高脆性提供了新的思路。

纳米复合陶瓷的微观结构及对力学性能的影响:

纳米复合陶瓷中的纳米相以两种形式存在，一种是分布在微米级陶瓷晶粒之间的晶间纳米相；另一种则“嵌入”基质晶粒内部，被称为晶内纳米相或“内晶型”结构。这两种结构共同作用产生了穿晶断裂和多重界面两个显著效应，对材料的力学性能起到重要影响。

以研究者采用纳米级碳化硅粉和微米级氧化铝粉为原料，使用真空热压炉烧结制备出的 Al2O3/SiC 纳米复合陶瓷为例，其具有相对密度高（超过 99.47%），弯曲强度高（507.82MPa）、断裂韧性好（4.75MPa·m1/2）、维氏硬度（1824.96Hv）高等优点。其微观结构显示 Al2O3/SiC 陶瓷中存在着种类丰富的位错组态和位错结构，这在一般陶瓷中是较为罕见的。

残余应力对纳米复合陶瓷性能的作用:

纳米复合陶瓷相间热膨胀系数的失配和弹性模量的差异对材料性能影响显著，其中热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场，这是复合陶瓷补强增韧的主要根源之一。

比如在 Al2O3/SiC 系和 MgO/SiC 系中，尽管基质的热膨胀系数比纳米相的大，裂纹偏转增韧程度较小，但由于残余热应力以压应力的方式作用在两相界面上，使得两相界面结合牢固，进而可能实现“内晶型”纳米粉体粒子对穿晶裂纹的二次偏转而耗散能量，最终提高材料的韧性。研究者通过应变分析和理论推算，提出 Al2O3/SiC 纳米复合陶瓷中随 SiC 增加，第二相颗粒间距缩小，垂直于裂纹扩展方向的残余拉应力的振幅减小但平均值增大，使材料韧性增量下降，并指出 SiC 为 3.5～5wt%对应着体系最高韧性。

纳米复合陶瓷的增韧补强机理分类：

目前关于纳米复合陶瓷的增强韧化机理主要分为四类：

1.细化基体颗粒

为改善先进陶瓷的性能，细、密、匀、纯的陶瓷粉体是重要发展方向。陶瓷粉体的细化使得组织结构更加均匀，减小了应力集中及显微裂纹的尺寸；细晶结构导致晶界体积分数增加，陶瓷断裂过程生成的新表面积增大，因此断裂前吸收的外界能量增加，宏观上表现为陶瓷断裂韧性提高。例如采用纳米级 B2O3、Al、石墨和 B4C 粉体为原料制备的 B4C/Al2O3 纳米复合陶瓷，其主要成分为 B4C 和 Al2O3，主相 B4C 约占 70wt%，第二相 Al2O3 约占 30wt%，由 Al-B-O 共同构成的复杂中间相填充在主相与第二相之间，复相陶瓷的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为 2.82g/cm3，41.5GPa，380MPa 和 3.9MPa·m1/2，其中断裂韧性比纯微米级碳化硼陶瓷提高了 85.7%。

2.界面自增韧

Si3N4/SiC 片层复合陶瓷材料利用界面自韧化解决单一的氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷材料脆性较大、易断裂问题。Si3N4/SiC 片层复合陶瓷材料在界面处大量存在的烧结助剂有利于氮化硅棒晶生长，大尺寸的氮化硅棒晶将氮化硅层与碳化硅层连接起来，产生界面自韧化的效果。材料的弯曲强度大于 700MPa，收缩率﹤15％，同时，其韧性可到 16MPa·m1/2 以上，完全可以满足高韧性陶瓷材料的使用要求，其断裂功﹥6KJ/m2，材料的断裂预警明确，具有高的安全系数。

3.微裂纹增韧

微裂纹增韧是通过微裂纹分散主裂纹尖端能量来提高材料韧性的方法，即微裂纹在扩展和形成新的微裂纹过程中消耗部分能量，以达到宏观增韧效果。微裂纹通常存在于由线胀系数不匹配或相变所致的局部张力区内。以 Al2O3/ZrO2/ZrSiO4 复合陶瓷材料为例，该复合陶瓷材料中 ZrSiO4 为主要晶相，另外还有少量 Al2O3 和 ZrO2 存在；第二种增强体 ZrO2 的最佳引入量为 20%（质量分数）；确定复合材料的强韧化是由 Al2O3 和 ZrO2 纳米颗粒引起的裂纹偏转、微裂纹增韧与 ZrO2 纳米颗粒引起的相变增韧共同作用而实现的，断裂方式主要为穿晶断裂。

4.晶须或纤维增韧

利用 SiC、Si3N4 等晶须或 C、SiC 等长纤维对 Si3N4 陶瓷进行复合增韧。不过，由于晶须或纤维的分散工艺复杂，烧结致密化困难以及与基体的相容性问题，使其实际应用受到一定限制。

三、纳米陶瓷复合材料在多领域的广泛应用

航天航空领域的应用：

SiC 陶瓷基体中引入 SiC 纤维或碳纤维制备的 SiC/SiC、C/SiC 纳米复合陶瓷，弥补了陶瓷材料的缺陷，具备耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗冲击等性能，在航空航天领域有着诸多应用，比如可应用在航空发动机、航天发动机、飞行器防热结构、太空轻质结构、刹车制动、核能、光伏电子等多个方面，主要用于生产发动机燃烧室内衬、喷口导流叶片等产品。目前市场中应用需求较高的主要是 SiC/SiC 纳米复合陶瓷。

冶金工业领域的应用：

Si3N4/SiC 纳米复合陶瓷由于具有高温强度好、热扩散系数低、抗热震性好等优点，成为了高温或超高温领域最具前途的高温复合结构陶瓷，在冶金工业领域发挥着重要作用，为相关高温工艺提供了可靠的材料保障。

电子行业的应用：

Al2O3/ZrO2 纳米复合陶瓷具有强度高、热膨胀系数低、导热性好等特点，可用于制造各种高强度电源模块用基板，支持铜电路板的直接接合。AlN 纳米复合陶瓷具备电绝缘性和优异的导热性，对于需要散热的应用而言是理想之选，并且其热膨胀系数接近硅，还具有优异的等离子体抗性，可用于制造半导体加工设备部件，在半导体制造工艺中，可用于硅晶片的安装、校正平面度和硅晶片的冷却等环节。

生物医疗领域的应用：

纳米复合陶瓷作为生物陶瓷材料，凭借其化学惰性、优异的力学性能和耐磨耐蚀性，成为骨骼、牙齿和关节等组织的置换材料。陶瓷手术刀以及生物液体纳米陶瓷过滤膜等医用工具也是结构陶瓷在医用领域的重要应用方向。像氧化铝与氧化锆复合的陶瓷已成功应用于人体的髋关节及膝关节，为医疗健康领域提供了优质的材料支持。

智能科技与家居领域的应用：

在智能科技领域，纳米陶瓷复合材料以其卓越的性能和稳定性，成为智能设备外壳、显示屏保护层等关键部件的理想选择。它能够有效抵御外部冲击和磨损，保护设备内部元件免受损害，同时提供出色的散热性能，确保设备的稳定运行。

随着智能家居的普及，纳米陶瓷复合材料在家居领域的应用也日益广泛。从智能门锁、智能照明到智能家电，纳米陶瓷复合材料以其独特的性能和美观的外观，为家居生活带来更加安全、舒适和便捷的体验。

健康科技领域的应用：

在健康科技领域，纳米陶瓷复合材料凭借良好的生物相容性和抗菌性能，成为医疗设备和健康监测产品的优选材料。它能够与人体组织紧密贴合，减少排斥反应和感染风险，同时提供精准的监测数据，为健康管理提供有力支持。

四、纳米陶瓷复合材料的发展前景

尽管纳米陶瓷复合材料在众多领域的应用仍处于快速发展阶段，面临着成本、工艺和市场需求等诸多挑战，但随着技术的不断突破和市场的日益成熟，其应用前景无疑是越来越广阔的。

在政策的引导和市场的推动下，纳米陶瓷复合材料有望在未来几年内迎来更加广泛的应用和更加深入的发展。其作为一种新型的高性能材料，独特的性能使其契合未来科技生活对绿色、环保和可持续发展的要求，无论是在追求极致性能的高科技领域，还是在提升人们生活品质的民用领域，都将持续发挥重要作用，为科技生活的繁荣注入新的活力，有望开启未来科技生活的新纪元，成为推动各领域持续创新升级的关键力量。

总之，纳米陶瓷复合材料凭借其在性能优化、功能拓展以及多领域适用性等方面的突出表现，正逐渐成为材料领域的一颗璀璨明星，值得我们持续关注并深入探索其更多的应用可能和发展潜力。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_562420.html
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