冷冻铸造技术制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的层状结构复合材料,类似"砖和泥"的软硬相交替的层状分级组装结构赋予其优良的力学性能。通过对贝壳的珍珠层进行仿生研究,人们已利用不同技术如冷冻铸造技术等,制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,并且这些材料在航空航天、军事、民用及机械工程等领域表现出广阔的应用前景。首先介绍了贝壳珍珠层的结构性能,并对其断裂机制进行了阐述;然后综合介绍了冷冻铸造技术的发展历程、作用机理、控制因素、装置设计和总体工艺流程。在此基础上,对制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料的表观密度、多孔陶瓷的孔隙率进行介绍,综述了多孔陶瓷的性能、陶瓷/金属层状结构复合材料以及陶瓷/聚合物层状结构复合材料的特点和应用,最后分析和总结了在研究仿贝壳层状结构陶瓷复合材料过程中出现的问题,并对该复合材料的未来发展趋势做了一定的预测。     

层状复合陶瓷断裂特性

层状复合是一种新型陶瓷增韧构型。本文着重讨论了层状复合陶瓷断裂特性，包括几种主要的增韧机制的分析和影响因素和讨论。     

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。      

层状复合陶瓷断裂特性

层状复合是一种新型陶瓷增韧构型。本文着重讨论了层状复合陶瓷断裂特性，包括几种主要的增韧机制的分析和影响因素的讨论。     

金属层状复合材料的研究状况与展望

回顾了金属层状复合材料在工艺、机制方面的研究现状,分析了存在的问题,并对今后的研究进行了展望。     

增强体含量对SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料强韧性的影响

采用流延-化学气相渗透(TC-CVI)工艺制备SiC晶须(SiC_W)/SiC层状陶瓷复合材料,研究了SiC_W含量对层状陶瓷复合材料力学性能和微观结构的影响,探讨了SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料的强韧化机制。结果表明:TC-CVI工艺能够有效提高复合材料中晶须含量(40vol%),减少制备过程对晶须损伤,所制备的SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料具有合适的层内及层间界面结合强度。随着SiC_W含量增加,层状陶瓷复合材料的密度和力学性能均有明显提高。含40vol%晶须的SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料的密度、弯曲强度和断裂韧性均比含25vol%晶须的分别提高了8.4%、30.8%和26.7%。断口形貌中能够观察到层间及层内的裂纹偏转,层内的裂纹桥接和晶须拔出等,这些为主要的增韧机制。高含量SiC_W及合适的层间和层内界面结合强度,对提高SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料强韧性有明显作用。     

对称型陶瓷层状复合材料中的残余应力分析

针对由层间约束引起的层内残余应力，提出了用于描述层合材料应力应变状态的非均匀应变模型。利用非均匀应变模型推导出对称型层合材料由层间约束引起的层内残余应力的解析表达式，得到层内应力和界面应力沿长度方向分布的变化规律，指出轴向残余应力是层间界面剪应力造成的，是位置的函数；论证了由于表层材料受力的非对称性，界面必定存在正应力，且界面正应力须自平衡，界面正应力亦为长度方向上位置的函数，针对Si3N4-Si3N4/TiN-Si3N4三层及多层（2N＋1）对称型陶瓷基层状复合材料，研究了残余应力对强界面结合的层合材料宏观力学性能和裂纹扩展行为的影响和作用。结果表明，材料的宏观性能随着残余应力的变化而变化，其变化规律与理论计算的结果吻合。     

高Tc铋层状压电陶瓷结构与性能

综述了铋层状压电陶瓷的结构特点及性能研究,铋层状压电陶瓷的（Ｂｉ２Ｏ２）＾２＋层和钙钛矿层（Ａｍ－１ＢｍＯ３ｍ＋１）＾２－按一定规则 排列而成,上Ａ为适合于１２配位的离子;Ｂ为适合于八面体配位的离子,ｍ为一整数,其值一般为１￣５,与钛酸钡（ＢａＴｉＯ３）或锆钛酸铅（ＰＺＴ）陶瓷相比,铋层状压电陶瓷具有以下特点：低介电常数、高ＴＣ、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率等。     

层状金属复合材料生产工艺及其新进展

综述了金属层状复合技术的发展，介绍了国内外生产层状金属复合材料的工艺方法及其优缺点，在此其础上介绍了几种高效、低耗、短流程的制备层状金属复合材料的新技术，阐述了自蔓延高温合成（SHS）焊接技术的原理、工艺，并对其研究和应用的前景进行了分析。     

层状复合陶瓷增韧机理的数值模拟

基于多层梁模型，在考虑材料非均匀性的基础上，采用有限元数值模拟的方法研究了层状复合陶瓷的断裂行为．给出了复合陶瓷模型在三点弯曲的加载条件下，裂纹拐折和扩展的过程，验证了层状复合陶瓷的主要增韧机理：裂纹沿软层界面拐折耗能．在此基础上，研究了不同参数条件下，层状复合陶瓷韧性的变化规律．     

Al_2O_3-ZrO_2陶瓷复合材料研究进展

本文较全面、综合地总结和评述了 Al_2O_3-ZrO_2陶瓷复台材料的研究成就;分析和比较了该材料的显教结构和力学性能及其它们之间的关系。指出继续提高该材料断裂韧性、改善其高温性能以及在连续温度变化中保持稳定的高韧性的措施是引入 SiC 晶须,进行 ZrO_2、SiC 晶须的双重复合韧化.     

陶瓷基复合材料的研究进展

本文对陶瓷基复合材料的发展和研究情况进行综述分析。主要内容有:陶瓷基复合材料的发展和应用前景;纤维材料,多种陶瓷基体材料的韧化研究;陶瓷基复合材料的制备加工技术;陶瓷增韧的力学机理和材料结构性能的研究情况。最后还就陶瓷基复合材料的进一步发展提出一些粗浅的看法。      

陶瓷/石墨烯块体复合材料的研究进展

石墨烯是2004年首次成功制备的新型二维碳纳米材料。由于其独特的二维结构和优异的性能, 近年来已成为国内外材料领域的研究热点。本文结合本课题组的相关工作, 综述了石墨烯应用于陶瓷块体复合材料的新近研究成果,包括碳纳米管、SiOC、Al₂O₃以及Si₃N₄等为基体的石墨烯块体复合材料,重点介绍了陶瓷/石墨烯块体复合材料的制备方法、增韧机制以及优异的物化性能, 并探讨了陶瓷/石墨烯块体复合材料的研究发展方向和应用前景。     

含h-BN复相陶瓷制备及性能研究进展

陶瓷材料密度低、抗腐蚀性及耐磨性良好,但是其硬而脆导致加工困难、抗热震性差。h-BN具有弹性模量低、硬度低的特点,其可加工性能和抗热震性能优异。将h-BN引入陶瓷基体制备含h-BN复相陶瓷,能够有效改善陶瓷材料的可加工性能和抗热震性。对含h-BN复相陶瓷的材料体系、制备工艺和性能的研究一直备受关注。本文以h-BN的引入方式为分类依据较全面地总结了含h-BN复相陶瓷的制备方法。本文对引入h-BN后所制备的含h-BN复相陶瓷的常规力学性能、抗热震性、可加工性、透波性、摩擦磨损等性能的影响进行了综述;对含h-BN复相陶瓷的制备及性能研究中存在的问题进行了概括,并对该材料体系的研究方向提出了建议。     

陶瓷纤维及其陶瓷基复合材料

介绍了连续陶瓷纤维及其陶瓷基复合材料在近年的研究进展,重点评述了陶瓷纤维以及陶瓷基复合材料制备工艺的研究现状,并对连续纤维陶瓷基复合材料的前景进行了展望。     

原位合成SiC-BN复合陶瓷

采用原位合成的方法设计并制备了SiC-BN复合陶瓷.经理论计算及实验证明,在相对较低的温度(1700 ℃)下即可成功实现预期的原位反应.复合陶瓷中生成了细小均匀的微米级SiC和BN颗粒,在添加剂较多的地方发现了纳米级的SiC晶粒.SiC-BN系列复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性在含20vo1%BN时达到最大,分别为311MPa和4.5 MPa·m1/2,弹性模量和硬度随BN含量的增加而减小,B60复合陶瓷的弹性模量为40.8GPa,维氏硬度为0.55GPa.不含BN的BO复合陶瓷的断裂方式主要为穿晶断裂,含有BN的SiC-BN复合陶瓷的断裂方式主要为沿晶断裂.     

石墨烯/陶瓷复合材料制备工艺研究进展

制备工艺是调控石墨烯/陶瓷复合材料结构、优化其力学和热电等性能的关键.重点综述了石墨烯/陶瓷复合材料的粉末压坯烧结工艺和3D打印工艺及其研究进展.粉末压坯烧结工艺包括无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结和高频感应加热烧结等,具有工艺简单、材料性能好、制备参数易控制等优点,是石墨烯/陶瓷复合材料的主要制备工艺,用于制备致密的块体复合材料;主要3D打印工艺有直写成形、激光选区烧结、喷墨打印和立体光固化等,具有结构和形状可控的特点,是目前石墨烯/陶瓷复合材料的研究热点,用于成形复杂形状和特定性能的复合材料器件.另外,还简要介绍了原位生成法、碳热还原法等利用特定物理化学反应制备石墨烯/陶瓷复合材料的制备工艺,并综述了石墨烯在复合材料中的分散工艺.     

荷电陶瓷膜的制备技术及其应用研究进展

荷电陶瓷膜指陶瓷膜表面或本体带有一定电荷的膜,分离过程中荷电性是影响陶瓷膜过滤性能及抗污染能力的重要因素。主要讨论了荷电陶瓷膜的制备方法以及各种方法之间的分析比较,总结了荷电陶瓷膜应用情况,并对其未来研究方向及发展前景进行了展望。     

碳化锆陶瓷复合材料的制备、显微组织与性能

碳化锆(ZrC)陶瓷复合材料具有熔点高、密度低、耐烧蚀的优点, 在超硬、航天防热、新能源等领域应用前景广阔。本文概述了ZrC金属陶瓷和复相陶瓷、纤维增强ZrC复合材料的制备方法。着重介绍了粉末烧结、先驱体转化、反应浸渗等工艺的应用, 并讨论了不同制备工艺下复合材料显微组织的特点。在总结两类材料力学性能和烧蚀性能的基础上, 分析了各自的影响因素, 并指出ZrC金属陶瓷和复相陶瓷韧性低, 纤维增强ZrC复合材料烧蚀层易剥落的问题。最后总结展望了ZrC陶瓷复合材料相关研究的发展趋势。     

碳纳米管-ZrB2-SiC陶瓷基复合材料的制备与性能研究

研究了用热压烧结方法制备的不同碳纳米管(CNTs)含量的ZrB₂-SiC- xwt% CNTs (x=0、1.0、2.5、4.0) 复合材料的工艺条件、力学性能和微观结构. 用TEM观察了试样的微观结构, 用SEM观察了试样断口形貌和裂纹扩展情况, 并对其强韧化机制进行了分析. 研究表明, 碳纳米管主要分布沉积在ZrB2颗粒内部, 形成内晶型结构, 在CNTs含量为2.5%时, 相对密度、维氏硬度和弯曲强度分别为99.6%、21.7GPa和542MPa, 断裂韧性达到6.10MPa·m^1/2. 碳纳米管加入后材料致密性提高、晶粒细化,所形成的内晶型结构是材料强度和韧性得以提高的原因.