[发明专利]氧化铝纳米棒增韧碳化硅陶瓷制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化铝纳米棒增韧碳化硅陶瓷制造方法，属于陶瓷领域。

背景技术

脆性问题对于各类陶瓷来说是共同的问题，碳化硅陶瓷也不例外；如何提高碳化硅陶瓷的韧性，是该生产领域关注的重要课题。20世纪50年代初发展起来的线弹性断裂力学，首先被应用于金属材料，后来Davidge和Wiederhorn发现该理论对于陶瓷材料同样重要。从此，人们关注“显微结构缺陷”这个概念，并且想尽办法消除工艺过程造成的缺陷，以此来提高结构陶瓷的力学性能。接下来的几年里，Lange和Rice观察到裂纹与显微结构之间的相互作用，并且制备出了一系列高韧性陶瓷。此后，在寻找保持陶瓷具有高性能的机理时进展十分缓慢。直到1974年首次发现一些多晶相陶瓷具有阻力曲线行为，即裂纹扩展阻力随着裂纹增加而增长，这是一个重要的进步，此后，人们才开始通过各种显微结构设计来提高陶瓷的韧性。中国天津大学高温结构陶瓷及工程陶瓷加工技术教育部重点实验室的周振君等，在发表于“硅酸盐通报”2003年第3期p57-61的题为“高可靠性结构陶瓷的增韧研究进展”一文中，对陶瓷增韧问题的理论和实践有详尽的介绍。陶瓷的韧化方式主要有相变增韧、纤维(晶须)增韧、颗粒增韧以及复合增韧。其中，颗粒增韧是陶瓷增韧最简单的一种方法，它具有同时提高强度和韧性等许多优点。影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第二相颗粒的弹性模量E、热膨胀系数α及两相的化学相容性。其中化学相容性是复合的前提，两相间不能存在过多的化学反应，同时又必须具有合适的界面综合强度。利用热膨胀系数α的失配，从而在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场，是复相陶瓷增韧补强的主要根源。假设第二相颗粒与基体之间不发生化学反应，如果第二相颗粒与基体之间存在热膨胀系数的失配，即Δα＝α_p-α_m≠0(p、m表示颗粒和基体)，当Δα＞0时，第二相颗粒处于拉应力状态，而基体径向处于拉伸状态，切向处于压缩状态，这时裂纹倾向于绕过颗粒继续扩展；当Δα＜0时，第二相颗粒处于压应力状态，切向受到拉应力，这时裂纹倾向于在颗粒处钉扎或穿过颗粒。微裂纹的出现可以吸收能量从而达到增韧的目的，微裂纹增韧因素之一是裂纹偏转，裂纹偏转是一种裂纹尖端效应，是指裂纹扩展过程中当裂纹尖端遇到偏转物(颗粒、纤维、晶须、界面等)时所发生的倾斜和偏转；微裂纹增韧因素之二是裂纹桥联，桥联物(颗粒、纤维、晶须等)联接靠近桥联物的两个裂纹的两个表面并提供一个使两个裂纹面相互靠近的应力，即闭合应力，这样导致应力强度因子随裂纹扩展而增加。当裂纹扩展遇到桥联剂时，桥联物有可能穿晶破坏，也可能出现互锁现象，即裂纹绕过桥联物沿晶界发展并形成摩擦桥。简当地说，第二相异质相颗粒的引入，将带来大量的微裂纹，其作用类似于玻璃的钢化，也就是利用大量的显性或隐性微裂纹来耗散或化解或吸收外来的破坏性张应力。此外，在采用晶须进行增韧时，还存在拔出效应，拔出效应也是一种有利于增韧的因素。当引入的第二相异质相颗粒为纳米颗粒时，还有利于抑制陶瓷基材晶体颗粒的长大，烧成陶瓷中陶瓷基材晶体颗粒的微小化也是一个重要的增韧因素，从断裂韧性值与显微结构观察结果来看，样品微观呈纳米级细微组织，则宏观表现出最高的断裂韧性，可以认为，颗粒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，同时，颗粒的细化也使显微裂纹数量增加，也就是说，微细的晶粒结构会导致晶界体积分数增加，在该情形下，陶瓷断裂过程中生成的耗散性新裂纹表面积增大，陶瓷断裂前的过程中需要吸收的外界能量因而大幅度增加，宏观上表现为陶瓷断裂韧性提高。

在碳化硅陶瓷体系中，目前较多报道的是采用碳化硅晶须进行增韧，以及，采用炭纤维进行增韧。碳化硅晶须增韧技术方案例如：田杰谟等发明(设计)，清华大学申请，申请号为CN91101684.8的专利申请案“晶须增韧强化碳陶瓷复合材料”；以及，阿历山大·J·派齐克发明(设计)，唐化学原料公司申请，申请号为CN90110427.2的专利申请案“碳化硅晶须增强陶瓷复合材料及其制造方法”。炭纤维增韧技术方案例如：耿浩然等发明(设计)，济南大学申请，申请号为CN03138926.0  的专利申请案“一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺”。