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金属-陶瓷复合粉体都有哪些用途?

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金属-陶瓷复合粉体都有哪些用途?

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近年来,超细粉体特别是纳米级超细粉体以其奇特的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应日益受到人们的重视,同时人们通过试验研究,发现将2种或2种以上的粉体颗粒经表面包覆复合处理后可以得到高性能复合材料,往往除了具有单一粉体所具有的性能外,还具有复合协同多功能,改变单一粒子表面性质,增大2种或多种组分的接触面积等作用。

其中金属-陶瓷复合粉体是指通过在陶瓷颗粒表面包覆一层金属形成的复合陶瓷粉体,它兼有金属包覆层和陶瓷芯核的性能,可以达到单个颗粒间的均匀混合。其制成的烧结体或复合材料具备以下特性:(1)提高粉体陶瓷与金属的界面结合力,提高烧结体中陶瓷与金属分布的均匀性;(2)可实现多层次多机制复合强化(细晶粒强化,相变强化,纤维补强等),制备高强韧化水平的金属复合陶瓷;(3)可制备低密度的功能粉体材料(如低密度导电粉体、磁性粉体等)。

常用的金属-陶瓷复合粉体由氧化物(如Al2O3、ZrO2、SiO2)、碳化物(如WC、TiC、SiC)、等与金属组成,由于其优异的复合特性,可满足许多领域的特殊要求,近年来已成为复合材料研究的一项热点。

金属-复合陶瓷粉体的制备















 

工业上一般采用金属包覆技术制备金属-陶瓷复合粉体,制备方法通常有以下几种:机械混合、高能球磨、自蔓延高温合成、原位反应、溶胶-凝胶、化学镀等。

01
机械混合法


 

机械混合法是最早应用于复合粉体制备的方法,该技术操作简便、工艺简单,已经有成套的设备用于工业化生产,产量较大、成本低廉,所以某些复合粉体的制备依然采用机械混合法。但是,由于粉体的粒径和表面特性各异,掺杂组元易于偏聚,容易导致成分和组织不均匀,得到的粉体颗粒尺寸较大,很难获得增强体颗粒的均匀分布,不适用于对功能性要求较高的复合粉体制备。

机械混合法在国内广泛应用于制备ZnO压敏复合瓷粉。

02
高能球磨法


 

高能球磨法是机械合金技术研究中的新进展,它将两种以上的金属或非金属粉体的混合物,通过高能球磨,最终形成具有微细组织结构的合金或复合陶瓷粉体。与传统机械混合法相比,它具有明显降低反应活化能、改善颗粒分布均匀性及增强体与基体之间界面结合等优点。但高能球磨制备复合陶瓷粉体是一个复杂的材料反应和结构控制过程,影响因素众多,工艺要求比较严格。

03
自蔓延高温合成


 

自蔓延高温合成技术(SHS)是在一定的气氛中点燃粉体压坯,产生化学反应,反应放出的生成热使得温度骤然升高而引发邻近物料新的化学反应,化学反应以燃烧波的形式蔓延通过整个反应物,燃烧波推行前移时反应物转变为生成物。自蔓延高温合成技术具有许多优点:生产过程简单,投资少,能量利用充分,反应迅速(0.1~15cm/s)。合成反应温度一般都很高,可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品。

SHS法存在的主要缺点是不能严格控制其反应过程和产品性能,不易获得高密度产品。此外SHS法所用原料往往是可燃、易爆或有毒物质,需要采取特殊的安全措施。

04
溶胶-凝胶法


 

溶胶-凝胶技术(Sol-Gel)技术是60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺。近年来许多人用此法来制备纳米材料,它的基本原理是利用金属醇盐或无机盐水解形成溶胶,再使它成为凝胶,经干燥、灼烧制得纳米微粒。

这种方法工艺较为复杂,原料价格比较昂贵,有些原料为有机物,对健康有害;其次通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长,且凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物,并产生收缩,损耗大,制备成本较高。

05
化学镀法


 

化学镀是制备金属-陶瓷复合粉体的先进方法,这种方法在玻璃、陶瓷、塑料或金属表面等各类粉体材料表面均能获得均匀的金属镀层,其反应机理是基于在溶液中可控的自催化氧化还原反应,无须提供电流,对基体没有形状限制。因此,它作为制备金属复合粉体的新方法吸引了人们的广泛重视。经研究发现化学镀制备的金属-陶瓷复合材料的韧性更高,且分散性较好,表面包覆更均匀。

金属-复合陶瓷粉体的应用















 

目前国内已有一些企业可量产制备金属-复合陶瓷粉体,产品主要为金属Ni、Co、Cu、Ag等包覆的Al2O3、TiC、SnO2、SiO2、CeO2等金属陶瓷复合粉体,包覆金属含量从5~90%不等。产品应用领域包括陶瓷刀具、电触头、导电浆料、橡胶填料以及汽车零部件制造用材料。

国外同类产品的企业主要生产Ag包覆SiO2粉体用于隐身、静电屏蔽涂料,Cu、Fe等包覆SiC、石墨等用于颗粒增强金属基复合材料,Au、Ni包覆高分子及陶瓷粉体用于导电浆料等,大多厂家用的都是化学镀技术。

金属-复合陶瓷粉体极具潜力,其应用远不止市场上现有的产品,广泛应用于军事、航空、航天、化工、医药等领域。

1)金属增韧陶瓷材料

金属-陶瓷复合粉体经烧结(包括无压烧结、热压烧结、热等静压烧结等)制备高性能金属陶瓷,相比单一陶瓷粉体烧结,具有如下特性:烧结温度大大降低,熔融或半熔化状态的金属相均匀分布于陶瓷颗粒之间,抑制陶瓷晶粒长大,阻止气相或玻璃相生成。烧结体中金属相呈连续分布,陶瓷颗粒交错其中,改善陶瓷相界面结合状态,提高其界面结合强度,并可很好地发挥金属的塑性和韧性,改善烧结体受载荷时应力状态,从而有效提高了金属陶瓷烧结体的强度与断裂韧性。

2)陶瓷颗粒增强金属基复合材料

将高硬度的耐磨陶瓷颗粒与金属材料复合,把陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性同金属基体材料的韧性相结合,在耐磨件的工作表面形成一定厚度的陶瓷金属复合层,以复合层承受磨损,金属基体起承载作用。这种局部复合的方式既能提高耐磨件的耐磨性,又能保证其整体韧性。   

常见用于制备颗粒增强金属基复合材料的颗粒有WC、TiC、Al2O3、ZTA(氧化锆增韧氧化铝)陶瓷颗粒。其中ZTA陶瓷颗粒硬度、韧性、成本都有着极大的优势,现已广泛应用在陶瓷金属复合方锤、板锤、甩锤、磨辊等产品上。

(3)热喷涂粉体

热喷涂材料主要用于高温部件的腐蚀、氧化和磨损防护,但是单一陶瓷涂层具有较多孔隙、断裂韧性较差,且与金属基体材料的热膨胀系数相差较大,其应用受到很大限制。因此,近年来,采用金属-陶瓷复合粉体作为热喷涂技术用喷涂材料的研究得到广泛关注。

(4)特殊功能材料

对SiC和空心玻璃微珠表面化学镀镍改性,可实现材料的微观层复合,改善SiC本身的吸波能力,并使空心玻璃微珠具有良好的吸波性能。在亚微米级、纳米级的无机颗粒上镀覆贵金属,由于基体表面吸附贵金属颗粒的纳米尺寸结构,使得整个复合粉体具备了特殊的光学、电学等性能。

目前应用得最广泛的还是用于制备金属陶瓷,如在航空航天领域中,飞行器的许多部位需要采用耐高温、抗磨损、强度高的材料,已逐渐替换成金属陶瓷,金属陶瓷制成的切削刀具在加工制造领域也极受欢迎,再比如相对于普通耐火材料,金属陶瓷的热震性更高,可用于高温设备元件等等。

资料来源:

金属-陶瓷复合粉体制备与机理及其应用研究,朱流(浙江大学);

粉体圈;