表面质量和性能往往是决定陶瓷材料能否成功使用的关键因素之一,因而运用各种手段使陶瓷材料表面的组成、结构和性能发生变化而优于基材的所谓陶瓷表面改性技术已逐渐发展。传统的陶瓷上釉就是一种表面改性技术,已有悠久历史。但运用现代先进技术对陶瓷表面进行改性仅仅是开始。
先进陶瓷的表面改性技术主要有离子注入、气相沉积、表层相变和激光表面处理等。
1.离子注入
离子注入技术引入材料领域始于60年代的半导体学科,可使半导体器件和电路的性能大为改善,并以其工艺上的优越性而得到快速发展。离子注入技术可改变材料表面特性是由于大量(>1×1015cm-12)离子注入表层可引起表面损伤,如表层中的点阵空穴和间隙原子均会大增。离子注入也会使本征原子发生位移,因而使材料特性变化。由于离子注入可大幅度地改变材料表面的组成、结构和性质,因而在不同材料的连接和复合技术上亦可发挥其重要作用。现已开展用离子注入技术来改善结构陶瓷与金属间的物理化学相容性,以及提高陶瓷的可焊接性等技术性能的研究。
2.气相沉积
气相沉积在超细粉末和薄膜制备中已得到广泛应用,并作为陶瓷表面形成致密涂层的一项重要手段,同时还可单独用于陶瓷材料表面改性,或与其他方法(如离子注入或激光表面处理)一并使用达到更佳效果。气相沉积的方法繁多,在化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类中,又有许多分支,例如用激光作能源使涂复物料变成气相的有激光化学气相沉积(LCVD)和激光物理气相沉积(LPVD),而激光化学气相沉积又可分为热分解LCVD和光分解LCVD等。日本用于刀具和各种部件的气相沉积的涂层有TiC、TiN、AlN、BN和B4C等,并可采用复合涂层,其使用效果和寿命均大为提高。(www.daowen.com)
3.表层相变
表层相变目前仅用于新发展的氧化锆增韧陶瓷(ZTC)材料的表面改性。ZTC材料,如四方氧化锆多晶体(TZP),氧化锆增韧氧化铝(ZTA)和氧化锆增韧莫来石(ZTM)等材料结构中保持有在室温时呈介稳态的四方氧化错t—ZrO2。在应力或负温诱导下,t—ZrO2相变为单斜氧化锆m—ZrO2,伴随有4~5%的体积膨胀及8%左右的剪切应变,这是材料增强增韧所在。如采用表面研磨(表面应力诱导)、热扩散(表层中t—ZrO2的稳定剂含量减少)和负温猝冷(表层降温和热应力协同诱导)均可促使表层中t—ZrO2相变为m—ZrO2,而使表层膨胀产生预压应力达到强韧化的效果。
4.激光表面处理
陶瓷激光表面处理是利用高功率密度的激光束扫射陶瓷表面使其迅速加热至很高温度(2000℃以上)然后迅速冷却,如与气相沉积联合使用,进行表面固溶化或表面熔涂(cladding),则可使材料表面的组成、结构和性能有大幅度的改变。凡用激光表面处理的陶瓷基体,因需经受急速加热和冷却,故应具有良好的抗热震性。
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