連續陶瓷基復合材料是具有特殊增強類型的新型陶瓷/金屬復合材料，其特點是復合材料內部網絡陶瓷增強相和金屬基體連續相之間相互貫穿、相互滲透、相互支撐，因而在三維空間內部沒有孤立的相，每個獨立的組成相都能夠在三維空間內充分發揮該組分對復合材料整體的強化作用，表現出正向加合特性，使得復合材料兼具陶瓷相低的膨脹系數、高的強度、良好的耐磨性、耐熱性和耐蝕性以及金屬相良好的導電、導熱及優異的塑韌性等特性。因而，在高速摩擦制動用材料（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域具有廣闊的應用前景。

圖1  連續陶瓷基復合材料應用于航空發動機

一、連續陶瓷基復合材料的性能特征

連續陶瓷基復合材料具有與傳統復合材料完全不同的空間拓撲結構型式，即：增強體（陶瓷）在三維空間連續（連通），基體（金屬）也在三維空間連續，增強體（陶瓷）與基體（金屬）在空間呈交織網絡結構。其顯著的優點或特點：

（1）陶瓷相含量高：三維空間連續使得復合材料可以容納更高體積分數的陶瓷相。

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

（3）抗磨性能優異：高硬度的陶瓷相三維連續分布，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，使得復合材料的抗磨性能大大提高。

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

（5）損傷容限高：三維雙連續的結構能引起結構互鎖的效應，使得材料具有更高的損傷容限，材料失效的危險性大大降低。

二、連續陶瓷基復合材料制備方法

連續陶瓷基復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制體，然后進行浸滲并凝固成型。二是化學反應直接合成微結構連接的復合材料。 二者區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材料。其中，陶瓷預制體的成型與制備的技術方案基本上是沿用傳統的功能多孔陶瓷制備成型方法，如海綿預制體掛漿成型（先驅體法）、陶瓷泡沫成型（開孔）、陶瓷粉體燒結等方法，形成陶瓷骨架的空間結構，然后浸漬合金。

圖2  連續SiC陶瓷基復合材料

常見的連續陶瓷基復合材料制備技術主要有原位反應法、擠壓鑄造法、熔體浸滲法等。

1、原位反應法

原位反應法是連續相陶瓷基復合材料組成相的一部分或全部在浸漬過程中由液態金屬熔融液與增強相發生原位反應或自身分解生成，其特點是反應生成相與復合材料其他相的相容性很好，界面結合穩定。通常，復合材料的原位制備技術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是熔融金屬浸滲預制件和金屬的氧化同時進行，例如研究者將Al₂O₃多孔陶瓷預制件放在熔融金屬（如鋁）上面，用氧氣或空氣使金屬發生氧化。氧化的結果是在預制件中生成陶瓷/金屬基體，從而制成致密的陶瓷/金屬復合材料。

（2）置換法

置換法是指預制件陶瓷與熔融金屬在浸滲過程中發生置換反應，生成陶瓷/金屬復合材料。通過SiO₂陶瓷預制件與Al熔融之間的反應生成Al₂O₃/雙連續相復合材料。反應式如下：

3SiO₂+4Al＝2Al₂O₃+3Si

圖3  Al₂O₃/雙連續相復合材料SEM圖

2、擠壓鑄造法

擠壓鑄造法是將流動性較好的熔融金屬液強行壓入陶瓷預制件孔隙的一種方法。由于是在外加壓力的作用下實現浸滲，因而對模具的要求較高，加上很難 形成惰性保護氣氛，金屬熔融液容易氧化或氮化，結果會導致浸滲后復合材料致密度較低，界面結合較弱，因此，工藝的可控性較差。目前國內中科院沈陽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絡SiC陶瓷/Cu基復合材料。

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是浸滲過程中無需施加額外的壓力，浸滲過程的驅動力主要是依靠金屬熔體在多孔陶瓷預制件內的毛細現象，且在毛細管力的作用下熔融金屬在陶瓷預制件孔隙中不斷地攀升、填充來實現復合材料的制備。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制件孔隙中，在內外壓力差的作用下凝固生成復合材料的方法。這種方法制備的復合材料界面結合緊密，浸滲效果明顯，但是由于制備過程是在高壓和真空的環境下進行的，因而對浸滲模具的材質、氣密性、尺寸等要求極為嚴格。此外，該方法還受到浸滲溫度、浸滲壓力、浸滲時間等因素的影響。

國內，東北大學茹紅強教授課題組采用真空－氣壓澆鑄法成功制備了三維網絡SiC陶瓷/20Cr基、鋼鐵基、銅基及鋁基等不同金屬基的連續相陶瓷基復合材料；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絡SiC陶瓷/ Al基復合材料。

圖4  三維網絡多孔SiC陶瓷SEM圖（左）、三維網絡SiC陶瓷/ Al基復合材料SEM圖（右）

參考文獻：1、江國健，肖清，彭偉等，徐家躍三維網絡多孔陶瓷/金屬復合材料的研究新進展，中國陶瓷學報。

2、王志，何兆晶，李宏林等，熔體浸滲法制備鎂/氧化鋁復合材料，材料導報。

3、刑宏偉，曹小明，胡宛平等，三維網絡SiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織，材料研究學報。

作者：樂心