連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料是具有特殊增強(qiáng)類型的新型陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料，其特點(diǎn)是復(fù)合材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)陶瓷增強(qiáng)相和金屬基體連續(xù)相之間相互貫穿、相互滲透、相互支撐，因而在三維空間內(nèi)部沒有孤立的相，每個(gè)獨(dú)立的組成相都能夠在三維空間內(nèi)充分發(fā)揮該組分對(duì)復(fù)合材料整體的強(qiáng)化作用，表現(xiàn)出正向加合特性，使得復(fù)合材料兼具陶瓷相低的膨脹系數(shù)、高的強(qiáng)度、良好的耐磨性、耐熱性和耐蝕性以及金屬相良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及優(yōu)異的塑韌性等特性。因而，在高速摩擦制動(dòng)用材料（尤其在高溫、高速、重載等特殊工況下）、電子封裝、大功率LED散熱片、裝甲車的防彈面板材料、航空航天及儀器儀表材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1  連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)

一、連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料的性能特征

連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料具有與傳統(tǒng)復(fù)合材料完全不同的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式，即：增強(qiáng)體（陶瓷）在三維空間連續(xù)（連通），基體（金屬）也在三維空間連續(xù)，增強(qiáng)體（陶瓷）與基體（金屬）在空間呈交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其顯著的優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn)：

（1）陶瓷相含量高：三維空間連續(xù)使得復(fù)合材料可以容納更高體積分?jǐn)?shù)的陶瓷相。

（2）承載能力或抗沖擊能力高：在受力時(shí)，有利于將集中在點(diǎn)或面上的應(yīng)力迅速在空間體范圍內(nèi)分散和傳遞，因而可以大幅度地提高復(fù)合材料的承載能力或抗沖擊能力。

（3）抗磨性能優(yōu)異：高硬度的陶瓷相三維連續(xù)分布，在摩擦表面上形成硬的微突體并起到承載作用，抑制了基體合金的塑性變形和高溫軟化，使得復(fù)合材料的抗磨性能大大提高。

（4）復(fù)合材料增韌效果顯著：由于基體在三維空間連續(xù)，使得對(duì)復(fù)合材料的整體增韌效果大幅度的增強(qiáng)。

（5）損傷容限高：三維雙連續(xù)的結(jié)構(gòu)能引起結(jié)構(gòu)互鎖的效應(yīng)，使得材料具有更高的損傷容限，材料失效的危險(xiǎn)性大大降低。

二、連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料制備方法

連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料制備方法可分為兩大類：一是制造孔隙連通的多孔陶瓷預(yù)制體，然后進(jìn)行浸滲并凝固成型。二是化學(xué)反應(yīng)直接合成微結(jié)構(gòu)連接的復(fù)合材料。 二者區(qū)別是前者廣泛適用于金屬、陶瓷或聚合物體系；而后者僅適用于少數(shù)材料。其中，陶瓷預(yù)制體的成型與制備的技術(shù)方案基本上是沿用傳統(tǒng)的功能多孔陶瓷制備成型方法，如海綿預(yù)制體掛漿成型（先驅(qū)體法）、陶瓷泡沫成型（開孔）、陶瓷粉體燒結(jié)等方法，形成陶瓷骨架的空間結(jié)構(gòu)，然后浸漬合金。

圖2  連續(xù)SiC陶瓷基復(fù)合材料

常見的連續(xù)陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)主要有原位反應(yīng)法、擠壓鑄造法、熔體浸滲法等。

1、原位反應(yīng)法

原位反應(yīng)法是連續(xù)相陶瓷基復(fù)合材料組成相的一部分或全部在浸漬過程中由液態(tài)金屬熔融液與增強(qiáng)相發(fā)生原位反應(yīng)或自身分解生成，其特點(diǎn)是反應(yīng)生成相與復(fù)合材料其他相的相容性很好，界面結(jié)合穩(wěn)定。通常，復(fù)合材料的原位制備技術(shù)主要包括直接金屬氧化法和置換法。

（1）直接金屬氧化法

直接金屬氧化法的特點(diǎn)是熔融金屬浸滲預(yù)制件和金屬的氧化同時(shí)進(jìn)行，例如研究者將Al₂O₃多孔陶瓷預(yù)制件放在熔融金屬（如鋁）上面，用氧氣或空氣使金屬發(fā)生氧化。氧化的結(jié)果是在預(yù)制件中生成陶瓷/金屬基體，從而制成致密的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料。

（2）置換法

置換法是指預(yù)制件陶瓷與熔融金屬在浸滲過程中發(fā)生置換反應(yīng)，生成陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料。通過SiO₂陶瓷預(yù)制件與Al熔融之間的反應(yīng)生成Al₂O₃/雙連續(xù)相復(fù)合材料。反應(yīng)式如下：

3SiO₂+4Al＝2Al₂O₃+3Si

圖3  Al₂O₃/雙連續(xù)相復(fù)合材料SEM圖

2、擠壓鑄造法

擠壓鑄造法是將流動(dòng)性較好的熔融金屬液強(qiáng)行壓入陶瓷預(yù)制件孔隙的一種方法。由于是在外加壓力的作用下實(shí)現(xiàn)浸滲，因而對(duì)模具的要求較高，加上很難 形成惰性保護(hù)氣氛，金屬熔融液容易氧化或氮化，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致浸滲后復(fù)合材料致密度較低，界面結(jié)合較弱，因此，工藝的可控性較差。目前國(guó)內(nèi)中科院沈陽(yáng)金屬研究所張勁松教授課題組采用擠壓鑄造方法制備出了三維網(wǎng)絡(luò)SiC陶瓷/Cu基復(fù)合材料。

3、熔體浸滲法

熔體浸滲法主要包括無壓浸滲和真空壓力浸滲兩種方法。

（1）無壓浸滲法

無壓浸滲法工藝最顯著的特點(diǎn)是浸滲過程中無需施加額外的壓力，浸滲過程的驅(qū)動(dòng)力主要是依靠金屬熔體在多孔陶瓷預(yù)制件內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象，且在毛細(xì)管力的作用下熔融金屬在陶瓷預(yù)制件孔隙中不斷地攀升、填充來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的制備。這種方法主要受到金屬合金成分、浸滲溫度、浸滲時(shí)間和浸滲氣氛等因素的影響。

（2）真空壓力浸滲法

真空壓力浸滲法一般是采用不與金屬熔融液反應(yīng)的高壓惰性氣體將熔融金屬液壓入事先抽成真空的陶瓷預(yù)制件孔隙中，在內(nèi)外壓力差的作用下凝固生成復(fù)合材料的方法。這種方法制備的復(fù)合材料界面結(jié)合緊密，浸滲效果明顯，但是由于制備過程是在高壓和真空的環(huán)境下進(jìn)行的，因而對(duì)浸滲模具的材質(zhì)、氣密性、尺寸等要求極為嚴(yán)格。此外，該方法還受到浸滲溫度、浸滲壓力、浸滲時(shí)間等因素的影響。

國(guó)內(nèi)，東北大學(xué)茹紅強(qiáng)教授課題組采用真空－氣壓澆鑄法成功制備了三維網(wǎng)絡(luò)SiC陶瓷/20Cr基、鋼鐵基、銅基及鋁基等不同金屬基的連續(xù)相陶瓷基復(fù)合材料；北京航空材料研究院崔巖課題組采用無壓浸滲工藝成功制備了三維網(wǎng)絡(luò)SiC陶瓷/ Al基復(fù)合材料。

圖4  三維網(wǎng)絡(luò)多孔SiC陶瓷SEM圖（左）、三維網(wǎng)絡(luò)SiC陶瓷/ Al基復(fù)合材料SEM圖（右）

參考文獻(xiàn)：1、江國(guó)健，肖清，彭偉等，徐家躍三維網(wǎng)絡(luò)多孔陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的研究新進(jìn)展，中國(guó)陶瓷學(xué)報(bào)。

2、王志，何兆晶，李宏林等，熔體浸滲法制備鎂/氧化鋁復(fù)合材料，材料導(dǎo)報(bào)。

3、刑宏偉，曹小明，胡宛平等，三維網(wǎng)絡(luò)SiC/Cu金屬基復(fù)合材料的凝固顯微組織，材料研究學(xué)報(bào)。

作者：樂心