纳米材料工艺技术的运用

两相的组合总是希望它在彼此的分布上是均匀的,在结构上是有规则的,这样才有可能使材料的性能是稳定的。要做到上述的要求并不是很容易的事,工艺研究上的孜孜不倦的改进,很多都是围绕这些要求而进行的。利用纳米材料的工艺技术,从尺度上的缩小以求得在宏观上的相对均匀,这种办法是可取的。而且在纳米的工艺技术中往往很多是采用在液相或气相下进行,这就更容易接于上述要求。因此,多相材料的制作工艺中鼓劝采用纳米工艺技术,看来会是有益的。

以使用上的要求为准则

对材料的高、新性能的要求是无可非议的,也是材料研究工作者义不容辞的责任。但是我们还应该更现实地对待实际使用上的要求。以最经济的和最简单的方法来得到所需的材料,以满足实际使用上的要求,这才是对我们材料研究工作者的苛刻要求。

材料制作的低成本和高稳定性

首先是要求所制得的材料的性能能满足实际使用上的需要,其次就是要求在性能上的高稳定性,最后是低成本的制作。这样才是材料的生命力所在。多相材料由于它在组成上和结构上的可调性,在工艺上的多选择性,决定了它能够更容易地满足低成本的制作工艺和保持性能上的高稳定性。

材料设计

多相材料将是材料设计的一个很好的研究对象。两种或以上不同材料的不同组合,将体现出不同的材料性能。不同相的材料以不同的形貌、不同的几何形式组合就可以获得不同性状的材料。这是按照使用上的要求,对材料进行设计的最好对象。如当两种相的材料在同一方向上作组分上的递增和递减,这样就构成了梯度功能材料。

材料研究有几千年的历程。长时期以来,材料研究都是用经验的思维方式进行,这在很大程度上是与当时的科学技术的水准有关。进入了上一世纪,材料科学在其它基础学科发展的基础上逐步地形成,材料研究可以借助材料科学在理论上的指导,因而,大大地提高了材料研究的水平以及缩短新材料的研究周期。材料科学发展到今天,已经有可能使材料研究工作者根据使用上的要求对材料进行剪裁与设计。多相材料为材料的剪裁与设计提供了更为宽广的思考余地。但是,正由于材料研究具有长时间的经验积累,不免会受到传统思维的束缚。因此,本文提出不妨用“逆向思维”,尝试在材料研究中运用。摆脱传统的思维方式往往是开拓视野、找到创新之路的曙光。逆向思维就是对传统思维反其道而行之。传统思维的形成是取决于当地的周边环境和条件的,因此并不一定仍然适用于当今的周边环境和条件。这就为摆脱传统思维提供了外部的促成因素。正因为如此,这也造成了传统思维的固有缺陷,这是摆脱传统思维的内部促成因素。

多相材料的提出,打破了原有各类材料的界限,这本身

就是一种逆向思维的结果。在多相材料系统的结合中,不妨跨越出以往大家都熟悉的论述,从相反的方向去考虑和试探,也许可以得到意想不到的收获。例如,对两相间的结合关系,如何结合? 是强还是弱更好? 两相间的反应,利用这些反应还是避免或抑制它? 第二相的引入,以连续相为佳,还是以非连续相为好? 在陶瓷/ 金属系统中,金属是否一定要对陶瓷是润湿的? 对陶瓷基材料有无可能摆脱占据材料制作成本很大部分的烧结工艺,而又同样可以发挥陶瓷材料一部分的特有性能? 如此等等。

之所以要这样思考,是因为材料研究的最终目的是为了应用。宜只求实用而不一定要求其完善,以满足使用上要求为目的,这是符合于经济之道的。相反地,盲目地追求材料的高性能与完善,不仅是浪费,有时还可能弄巧成拙。而理论研究则尽可能求其严密,但也不忽视它的应用范畴。

复合材料这个名词是广为人知的。从上一世纪的中叶,出现了用玻璃纤维作为增强剂的,以聚合物为基体的复合材料,中国人称之为“玻璃钢”。它以质轻、强度高、加工方便以及性能的可设计性而广为人们所欢迎,在很多场合中得到广泛的应用。之后晶须的出现,又形成了晶须作为增强剂的复合材料。于是,人们习惯地把用纤维或晶须作为增强剂的材料称之为复合材料。对于陶瓷基的复合材料来说,纤维或晶须的引入,不仅只着眼于对材料的强度的提高,更重要的是期望达到弥补陶瓷材料的固有缺点———脆性对材料被广泛使用的局限。为此,从中国的广泛的词汇中选用了“补强”两字,即成为纤维(或晶须) 补强陶瓷基复合材料。它确实表现出了不仅在材料的强度上有极大的增强效果,更令人兴奋的是它可以以数量级的提高来改进材料的断裂功。这就意味着这种材料已经不是想象中那么脆的了。因此,它可以承受极大的热冲击和机械冲击。再加上无机材料本身又具有极好的耐烧蚀行为,所以纤维补强陶瓷二相加入到陶瓷材料中,由于彼此形态上的差异,要达到均匀的分布是困难的。因此,“原位生长”具有一定长径比的第二相物质而形成补强剂的途径就被提出来了,构成了原位自补强的多相复合陶瓷材料。沿用第二相颗粒弥散所组成的多相复合陶瓷材料也就应运而生。再结合了氧化锆的相变增韧机制和晶应力设计等的协同效应,多相复合陶瓷材料的研究取得了令人振奋的成就。它确实做到了不仅使陶瓷材料的强度达到大幅度的提高,对改善陶瓷材料的脆性上也达到了极佳的效果。因此,多相复合陶瓷材料由此而获得了更为广泛的应用,它不仅可以用作在高温动态负荷下运作的陶瓷发动机的另、部件,兼之它的耐磨性能,还可以用作高温轴承材料。陶瓷材料的化学稳定性使它们在化工领域特别是具有腐蚀性的环境中大有用武之地。总之,多相复合陶瓷材料由于它的的强度、好的断裂韧性、优异的耐磨性能、卓越的抗腐蚀能力以及好的抗烧蚀性,可以使它在高温动态高负荷的工况以及磨损和腐蚀的环境中服役。在金属基复合材料中,以碳纤维、硼纤维或碳化硅纤维(或晶须) 作为增强剂都表现了优异的性能,但由于各种原因,诸如制作成本的高昂、基体与增强剂的界面问题或性能的均匀性等等,在一定程度上阻碍了它的被广泛地应用。

于是,采用无机非金属颗粒作为第二相的引入的研究成为热点。如碳化硅颗粒增强铝基复合材料,在对材料的强度、硬度以至耐磨性能等都有较大幅度的提高。在高分子材料中采用无机材料改性更是被广泛地运用。

假如以多相复合的概念从陶瓷材料的范围扩展到各类材料之间的组合,从现有的复合材料概念扩充到运用各类材料的先进工艺以至纳米材料的工艺技术,形成广泛意义的多相材料,有可能集各类材料之所长,又避免各自材料的弱点,而形成一类全新的材料。还可以博取各类材料工艺的优势,找出简便和便宜的材料制作工艺,这是一条低成本而制作高质量材料的思路,值得加以深入的探讨和研究。

多相材料并不受限于各类材料,它可以有很宽阔的选择余地。诸如陶瓷/ 金属、陶瓷/ 聚合物、金属/ 聚合物等系统,甚至为了特殊的需要,将三者组合在一起。单类材料本身的多相结合,在上一世纪已经有很多研究结果报道。例如,陶瓷材料的多相结合,形成了一大类复相陶瓷材料,它们都表现出了较之单相材料更为优异的性能。在金属和有机高分子材料亦都是如此。总之,多相材料的提出,将成为本世纪材料研究值得注意的新趋向。