先进抗磨复合材料制备、性能及应用

第6章　抗磨复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的物质，通过不同的工艺方法以微观或宏观的形式人工合成的多相材料。复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性，其性能明显优于原材料。如玻璃纤维的断裂能只有7.5×10-2J，常用树脂为2.26×10-2J左右，但由玻璃纤维与热固性树脂组成的复合材料，即热固性玻璃钢的断裂能高达17.6J，其强度显著高于树脂，而脆性远低于玻璃纤维，“复合”已成为改善材料性能的重要手段。

由于分散材料（增强相）和基体不同，形态不同，复合方式及复合效果不同，复合材料的分类方法很多，如按性能不同可分为结构复合材料和功能复合材料。增强材料的种类和形状，又可分为颗粒、晶须、层状及纤维增强复合材料。按增强基体不同，还可分为金属基复合材料和非金属基复合材料，如铝（铝合金）基复合材料、钛（钛合金）基复合材料、铜（铜合金）基复合材料、钢（铁）基复合材料、塑料（树脂）基复合材料、橡胶基复合材料、陶瓷基复合材料等。

双金属复合材料、陶瓷/金属复合材料、通过添加陶瓷纤维（或颗粒的）有机基复合材料在机械、冶金、矿山、建材、电力等磨损、摩擦、腐蚀工况都有较多较好的应用。本章节主要介绍上述两种抗磨复合材料的制备、性能研究和应用。

6.1　复合材料的组织与结构

复合材料的组织组成主要为分散材料（增强相）和基体，有时也有中间相和新生相，特别是界面易产生新生反应物。图 6-1是WC/Cr20高铬铸铁基复合材料复合层中碳化钨溶解度和界面结合情况，由于WC颗粒的熔解，在界面（熔解层）内因WC颗粒的熔解新生成了（Fe，Cr，W）mCn的相，有利于提高界面结合强度和界面性能。

基体和增强相的种类及组成的复合材料见表 6-1所示。

图6-1　WC/Cr20高铬铸铁基复合材料复合界面

表6-1　复合材料的基体和增强相组成

6.2　复合材料的界面特性

1.界面结合种类

复合材料中界面的作用是关键的。复合材料的硬化和强化依赖于跨过界面的载荷传递，韧性受裂纹偏转/纤维拔出的影响，塑性则受靠近界面的峰值应力的松弛的影响。在复合材料的研究过程中，如何最好地表征并优化界面区域由外加载荷引起的应力所反映的力学行为的问题，仍然是研究、分析工作的重点和难点。

由于复合材料是两种或两种以上材料组成的新型材料，界面的存在就具有必然性，而且它也是复合材料的关键。首先界面是基体和增强体材料的结合处，即二者的分子在界面形成原子作用力。其次，界面又作为基体和增强体材料之间传递载荷的媒介或过渡带，硬化和强化依赖于跨越界面的载荷传递，韧性受到裂纹偏转/纤维拔出的影响，塑性则受靠近界面的峰值应力松弛的影响。由于界面的结构和物理、化学等性能既不同于基体，又不同于增强体材料，使得对它的研究又具有特殊性。界面问题是复合材料的核心问题，它牵涉到表面物理、表面化学、力学等多个学科。

复合材料中存在的界面可分为五类：

（1）机械结合。基体与增强体材料之间没有发生化学反应，纯粹靠机械连结。它是靠纤维的粗糙表面与基体产生的摩擦力而实现的。

（2）溶解和润湿结合。基体润温增强体材料，相互之间发生原子扩散和溶解形成结合，界面是溶质原子的过渡带。

（3）反应结合。基体与增强体材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和增强体材料结合在一起。

（4）交换反应结合。基体与增强体材料间发生化学反应，生成化合物，并且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。

（5）混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。

2.界面粘结强度

在复合材料的界面常常有许多重要的现象发生。对于高分子基复合材料，尽管所涉及的化学原理可能比较复杂，但都是要求高的粘结强度，以有效地把载荷传递给纤维，同时要求对环境破坏有良好的抵抗力。

3.界面反应

在制造和使用过程中，复合材料的增强体材料与基体间总存在着相互作用，所以复合材料要达到理想热力学平衡状态十分困难。

由于界面是化学成分和结构的剧烈变化区域，必然会产生原子扩散。扩散是界面反应动力学中的主要现象和速度控制因素。按增强体材料与基体间是否形成化合物分别讨论。

（1）基体与增强体材料间不生成化合物，只生成固溶体。在界面上生成的固溶体并不导致复合材料性能的降低，主要是增强体材料消耗使强度降低。

（2）若在界面形成化合物，当其达到一定的厚度时，复合材料的强度可能会大幅度降低。这是因为在界面生成的脆性化合物层在受载时破坏而造成纤维断裂。因此预测化合物反应带的厚度十分重要。反应扩散是一个非常复杂的过程，测定总反应速度十分困难。

4.界面控制

由于在复合材料中存在人为的界面，而界面又起着很重要的作用，所以由界面的特性可以控制材料的性能。界面的控制方法有以下几类。

（1）改变强化体表面的性质

改变强化体的表面性质是用化学手段控制界面的方法。例如，有在SiC晶须表面形成富碳结构的方法，在纤维表面以CVD或PVD的方法进行BN或碳涂层的方法等，用CVD法制备纤维时，也可以在制造过程中使纤维表面的成分发生变化。这些方法的目的都是为了防止强化体（纤维）与基体间的反应，从而获得最佳的界面力学特性。改变强化体表面的性质的另一个目的是改变纤维与基体间的结合力。

（2）向基体添加特定的元素

在复合材料的制备过程中，为了有助于复合成形，往往在基体中添加一些物质，如陶瓷/金属基复合材料制备过程中需要加入有利于提高铸渗质量和复合界面质量的助熔铸渗复合剂。有时为了使纤维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添加一些元素。

6.3　双金属复合材料

随着工业的发展，对材料的要求日益提高，单一材料的零件难以满足生产过程中多力一面的要求。在实际生产中，有些部件常要求材料既有良好的韧性，以抵抗工作过程中物料的冲击作用，防止部件发生意外断裂，同时又要求其具有高的硬度及优良的磨损性能。对于单一成分的材料，难以同时具有高韧性、高硬度和高抗磨性。为此，生产中常采用复合铸造工艺进行生产。

目前双金属复合材料抗磨件的主要制造方法有：①熔铸工艺，即在铸型型腔内预先放入预制块，然后再向型腔内浇注另一种金属液体的工艺方法。②双液水平浇注工艺，即在一定工艺条件下，将两种不同金属液体先后浇注入同一铸型中。③双液平做立浇工艺，即在铸型中放入中间隔板，然后在隔板两侧分别同时浇注入不同金属液体。

双金属复合铸件不仅同时拥有良好的力学性能和高的使用寿命，而且适用面广、生产成本低廉。目前常用的复合铸造工艺分为液-液和液-固两大类，其中又因液-固复合铸造几乎不受铸件形状的限制和制造工艺简单，而越来越受到人们的重视。

由西安交通大学、西安冶金建筑科技大学研制，用于物料输送管道-直管和不同角度的弯管采用外包（外复合）或内包（内复合）是目前电力、矿山、化工等工业部门应用较好的耐磨双金属复合材料——碳钢/高铬合金双金属耐磨复合弯管，在火电厂输煤弯管使用的该复合材料性能如表 6-2所示，其抗冲刷磨损性能为稀土耐磨钢的3.3倍左右。如图 6-2所示，内复合受弯管通经和复合厚度限制，因此有一定的局限性。外复合技术的优点为：

表6-2　火电厂输煤用碳钢/高铬合金双金属耐磨复合弯管抗磨性能

注：试验数据自1996起由原西北电管局（立项）、略阳发电厂与西安交通大学联合试验测定。

图6-2　碳钢/高铬合金双金属耐磨复合弯管结构示意图

（1）弯管外侧耐磨层厚度增加至35mm左右，而内侧120°外层不需要复合，出口端周向复合一定长度和厚度，最大限度地发挥了耐磨材料的作用和利用率；

（2）由于双层包裹耐磨高铬合金层，因此更不会出现裂纹和剥落现象；

（3）外层复合一定厚度的耐磨材料，因此整体管道实际内径不变，不影响风送煤粉的流畅；

（4）耐磨复合厚度增加，使用寿命延长。

除常见的带镶嵌件的有色金属压铸件外，球磨机衬板、破碎机反击锤等黑色抗磨零部件也采用复合铸造工艺生产。

6.4　金属基复合材料

1.颗粒增强金属基复合材料

自1965年AKelly，GJdavies和DCratchley等首先提出了金属基复合材料（metal　matrix　composites，简称MMCs）这一概念以来，MMCs就以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定性、抗磨性、尺寸稳定性及成分可设计等优点吸引了各国学者和科研人员的关注，成为材料研究和开发的热点。按增强体的形式MMCs可分为连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强等。

颗粒增强金属基复合材料（particulate　reinforced　metal　matrix　composites，简称PRMMC）是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点（韧性和塑性）和增强颗粒优点（高硬度和高模量）的复合材料。PRMMC具有增强体成本低，微观结构均匀，材料各向同性，可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点，因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注。

目前研究较多、工艺较为成熟的颗粒增强金属基复合材料主要集中在以Al、Mg、Ti有色轻金属为基体的复合材料，而常用的陶瓷颗粒增强相则是氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷三类，如Al2O3、TiO3、SiC、MgO、WC、SiC、Si3N4、AlN等。黑色金属基（钢、铁基体）复合材料的抗高温性能、抗冲击性能和抗磨损性能方面明显优于轻金属基复合材料。因此，在某些特定场合下，黑色金属为基体的颗粒增强复合材料有着良好的发展前景。

西安交通大学铸造及抗磨材料研究所在颗粒增强金属基复合材料研究方面有多年的经验积累。

王恩泽、鲍崇高通过自制的具有沸腾床的化学气相沉积装置，在氧化铝颗粒表面得到了均匀的TiN、Ni涂层，从而改善了氧化铝颗粒与抗热钢的润湿性。在包TiN涂层后使得氧化铝颗粒与抗热钢的润湿角从93°下降到58°，包Ni涂层使得其与抗热钢的润湿角下降到46°，可使粒度为75～100目（0.154～0.2mm）的氧化铝颗粒铸渗深度从0.5mm分别提高到8.0mm左右。将复合材料的界面控制技术与负压铸渗工艺相结合，成功地制备出氧化铝颗粒体积分数在18%～52%之间可调节的氧化铝颗粒/抗热钢基表面复合材料（微观组织如图 6-3所示），从而解决了高体积分数的氧化铝颗粒在与它不润湿且熔点高、比重大的抗热钢液中均匀分散的难题。

图6-3　氧化铝颗粒/耐热钢基复合材料微观组织形貌

900℃下氧化铝颗粒体积分数对复合材料高温耐磨性的影响如图 6-4所示，可以看出，所有复合材料的高温耐磨性都比耐热钢好，且氧化铝颗粒体积分数为39%的复合材料具有最好的耐磨性，是耐热钢基体的3.3倍左右。

梁作俭等人在实验室条件下系统地研究了碳化钨颗粒增强铁基复合材料在 pH值为9.0的浆料中的冲蚀磨损性能及三体磨料磨损性能，并以高铬铸铁作为对比材料。结果表明，碳化钨颗粒增强灰铁基表面复合材料的抗三体磨损性能是高铬铸铁的11倍，其抗冲蚀磨损特性是高铬铸铁的1.7倍。碳化钨颗粒/低铬白口铸铁基表面复合材料的抗冲蚀磨损性能是高铬铸铁的2.5～3.5倍。

图6-4　耐热钢基体与不同体积分数复合材料在高温磨料磨损条件下的体积损失

唐武等人针对湿法磷酸工况，设计了不锈钢基体的化学成分，选择碳化钨、氧化铝陶瓷颗粒作为增强相，通过化学气相沉积Ni涂层解决了氧化铝陶瓷颗粒与基体金属的润湿性，并结合负压铸渗工艺，成功制备了复合层质量良好的表面复合材料。其研究结果表明，氧化铝/不锈钢基复合材料和碳化钨/不锈钢基复合材料在模拟湿法磷酸工况的介质中，在30°冲蚀角下抗冲蚀性能分别为高铬铸铁的5.07倍和3.16倍，而在60°冲蚀角下它们的抗冲蚀性能分别为高铬铸铁的3.90倍和2.54倍。

祁小群成功研制了具有优异抗磨性的碳化钨/Cr20基复合材料，系统研究了不同添加剂对复合材料复合层质量的影响。结果表明，添加水玻璃、水玻璃/熔剂等的复合层大量存在夹渣铸造缺陷，而添加其自制的复合剂则复合层质量较为稳定，其抗三体磨料磨损性能是Cr20高铬铸铁的5倍左右。

西安交通大学铸造及抗磨材料研究所研制并提供的，用于轧钢厂轧钢生产的导位板，采用碳化钨颗粒/球墨铸铁基表面复合材料，其使用寿命是基体材料的12倍左右，不仅减少了部件材料费用，而且大大降低了现场个人因每天更换而耗费的劳动量，并减少了停机检修的时间。图 6-5是该复合材料的实物图片，图 6-6为表层复合材料的断面形貌。

图6-5　轧钢生产导位板用WC颗粒增强球墨铸铁基复合材料

图6-6　WCp增强钢基表层复合材料断面形貌

其它，通过粉末冶金技术也可以制备温度较低，增强颗粒的体积分数比较高，增强颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚。

2.碳钢（铸铁 ）/陶瓷板耐磨复合材料

图6-7　碳钢/氧化铝陶瓷耐磨复合弯管(www.xing528.com)

针对于电力、矿山、化工等工业部门的物 料输送，包括直管和弯管，用一定厚度的陶瓷板或砖内贴于碳钢管材内壁，制作的碳钢/陶瓷板耐磨复合材料在工业工程中具有更广阔的应用前景。图 6-7是由于矿山输送石粉料或火电厂输送煤粉使用的碳钢/氧化铝陶瓷（95瓷）复合弯管实物图片，该产品在火电厂输煤工况的耐磨性数据如图 6-8所示，其实际设计寿命可达15年，是稀土耐 磨钢的5倍左右，而价格目前仅为后者的2倍左右，是该工况今后首选使用的高性能耐磨直管、弯管材料。

图6-8　火电厂输煤用不同材料弯管材料耐磨性比较

注：①三种材料厚度：A—35mm，B—高铬层35mm，C—内贴95氧化铝陶瓷，厚度15mm；

②使用数据由大唐略阳电厂、国华永济电厂、南通中能耐磨陶瓷有限公司等单位提供。

煤炭开采机械煤矿选煤机主要部件——旋流器受冲击磨损、磨料磨损非常严重，2001年我国有3万吨以上规模的选煤厂1 584座，其中重介选煤厂约518座左右，“十五”期间国家大力发展该项技术，重介选煤厂数量已达到800多座，“十一五”期间还将投入更多。每座选煤厂平均每年使用三个旋流器（如图 6-9所示），60万元/个，每年将近15亿元的市场。目前，比较好的耐磨旋流器也是通过内贴氧化铝陶瓷砖制作的复合材料，从而大大延长其使用寿命。

图6-9　用于煤矿机械旋流器的碳钢/氧化铝陶瓷复合材料

我国冶金、矿山、石油、化工等行业中用于泥沙、灰渣、精矿、尾矿等含大量固体物料输送的渣浆泵、杂质泵、灰渣泵等所用的护套、叶轮、前后护板等过流件的磨损同样相当惊人，仅据云南省1994年的不完全统计，全省仅冶金行业由于更换泵类过流件所造成的直接经济损失就达4 000万元，不仅造成了大量的材料消耗、使维护费用和能源消耗增加，同时还降低了生产效率。图 6-10为Cr27高铬铸铁泵抽砂8万立方米后的磨损失效形貌，改用普通铸铁泵体并贴氧化铝陶瓷片，抽砂9万立方米后的表面形貌如图 6-11所示，泵壳内壁面基本上还处于完好状态，经黄河抽砂试验后推算，其使用寿命是前者的20多倍，但成本与前者相当。

图6-10　Cr27高铬铸铁泵抽砂8万立方米后磨损失效形貌

图6-11　普通铸铁泵体内贴氧化铝陶瓷抽砂9万立方米后表面形貌

研究并推广、应用性能优异的先进结构陶瓷材料，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷，特别是来源广、价格低廉的氧化铝陶瓷，作为泥浆泵叶轮、叶片、护套、护板、煤粉输送管道、煤炭开采用旋流器部件等表面贴附材料或整体材料，对于不同工况条件下耐冲蚀陶瓷材料的选择和进一步研究开发经济实用、抗磨损性能优良的结构陶瓷材料具有积极的指导作用。对于推进高技术陶瓷材料在实际工业工程中的应用，改进传统产业具有十分重大的工程意义。

金属基复合材料的主要抗磨性能应用于其它几个方面：

（1）柴油机活塞

柴油机活塞材料为Al合金/5%Al2O3，属于短纤维增强复合材料，是MMC工业性应用的早期的成功的例子。在过去的几年里，在日本这类活塞的生产逐年递增，现年产量已逾百万件。这种材料有如下优点：①良好的抗磨性；②高温强度；③有选择增强体的余地；④好的热稳定性；⑤良好的导热性。

（2）汽车驱动轴

这种汽车驱动轴是简单的管材，它将动力传输到差动器处，然后分配到轮上，材料为Al合金/20%Al2O3，属于颗粒增强复合材料，其优点为：①良好的抗磨性；②刚度高；③密度低；④韧性满足要求。

（3）设备架

设备架材料为Al合金/25%SiC颗粒，也是属于颗粒增强复合材料，此架用于Lockheed飞机生产线上。该类材料的优点为：①刚度高；②密度低；③导电性好。

（4）制动器转盘

属于Al-Si合金/20%SiC颗粒增强复合材料，其优点为：①抗磨性好；②密度低。长期以来，制动器转盘都是用铸铁制造的。

（5）发动机缸体

材料属于Ai-Si合金/12%Al2O3短纤维＋9%碳短纤维增强MMC复合材料，优点包括：①抗磨性好；②抗恭疲劳性好；③密度低；④高温稳定性及强度高；⑤减振性强。

其它一些工程中的零部件MMC材料应用也不少，如宇航望远镜为Al合金/60%碳长纤维增强复合材料，具有轴向刚度高、密度低、超低轴向热膨胀性、导电性好等优点。卫星微电子器件的基座是Al合金/20%～65%SiC颗粒增强复合材料，具有热膨胀匹配（8×10-6　K-1），导热系数高（＞120Wm-1　K-1），适于纤焊、导电、尺寸稳定性好等优点。很多微电子器件要求极高的稳定环境，例如，安置微波雷达及通信系统，必须对受流场屏蔽，必须要求机械的、热的，以及电的各个方面稳定性。飞机发动机部件材料选用的钛基合金/40%SiC单片纤维MMC复合材料，具有高温性能好、增加强度、密度低、部件简化、刚度增加等优点。

6.5　陶瓷基复合材料

作为结构材料的陶瓷基复合材料按基体可以分为玻璃陶瓷基复合材料、氧化物基复合材料、非氧化物（碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等）基复合材料、碳/碳复合材料等。这些陶瓷基复合材料（涂层）的实际应用与材料的最高使用温度和气氛密切相关。与陶瓷单体相比，陶瓷基复合材料的原材料和加工的成本都比较高，所以其在民用领域的应用还有一定的困难。另一方面，在航空、航天、军事等领域对突破传统工业材料界限的新材料的需求日益增长，促进了陶瓷基复合材料的研究和开发，如航空航天、热能、电力工业装备中许多在高温腐蚀性气氛条件下工作的摩擦运动副零部件，不仅要求材料具有优异的高温耐磨性与抗氧化性，同时由于高温条件下无法实现外加润滑而必须具有优异的高温自润滑性能。采用先进的表面工程手段，在高温结构材料工件表面制备具有优良高温自润滑性能的先进氧化物陶瓷基高温自润滑耐磨复合材料涂层，是解决上述问题的有效方法之一。

1.颗粒增强陶瓷基复合材料

用颗粒与陶瓷复合，可明显改善陶瓷的脆性，提高强度，且工艺简单。研究较多的体系有碳化硅基、氧化铝基和莫来石基，如SiC-TiC、SiC-ZrB2、Al2O3-TiC、Al2O3-SiC、莫来石-ZrO2等体系。氧化铝（Al2O3）由于氧和铝的结合很强，在氧化物中具有最高的硬度。Al2O3陶瓷材料的熔点高、弹性模量高、硬度高、化学稳定性好，具有耐热、耐腐蚀、耐磨损、密度小质量轻等特点，广泛应用于国防军工（如陶瓷装甲）、航空航天（如发动机外壳）、医疗（如骨架）、汽车发动机（如高性能活塞）、电子元件（如IC基板绝缘板）、机械材料（如切削刀具）、光学（如高压钠灯发光管）等领域，在国民经济中占有重要的地位，受到了世界各国的高度重视，已成为材料科学领域最为活跃的研究领域之一。Al2O3-TiC材料是使氧化铝基材料性能提高的典型颗粒增强陶瓷基复合材料，氧化铝基复合材料可以用通常的粉末冶金法比较容易地得高纯度、高密度的烧结体，因此具有较高的工业应用价值。

王华明等人采用激光熔覆技术制备出了以Al2O3为基体、以CaF2为高温自润滑相的陶瓷基高温自润滑耐磨复合材料涂层，在干滑动磨损试验条件下测试了涂层的耐磨性能。研究的陶瓷基高温自润滑耐磨复合材料，与激光熔覆100% Al2O3陶瓷涂层相比，含有30%CaF2的激光熔覆CaF2/Al2O3高温自润滑陶瓷基耐磨复合材料摩擦系数大幅度降低、耐磨性提高29倍。具有优异高温耐磨性能及高温稳定性的Al2O3以片状初生相形式析出形成连续的基体骨架，而具有优异高温自润滑性能的CaF2则呈球状均匀分布于基体骨架中之间。摩擦磨损试验结果表明，由于激光熔覆Al2O3/CaF2陶瓷基高温自润滑耐磨复合材料集中了Al2O3优异的高温耐磨性、高温抗氧化性及高温自润滑相的优异高温自润滑性能。

ZrO2基复合材料多是以添加一定稳定剂的PSZ或TZP为基体材料。将25%（质量分数）的板状α-Al2O3加入Y-TZP中可改善烧结密度，提高高温强度，在800℃时提高11%，在1　300℃可提高16%，1　300℃提高33%。这主要是因为板状α-Al2O3的引入增加了新的增韧机制，材料中不仅有相变增韧，而且有裂纹偏转、弹性模量传递和沿晶断裂、拔出等机制。于1　500℃烧成的（2.5%～3%摩尔分数）Y-TZP/尖晶石-Al2O3复合材料，平均抗弯强度为：900～1　050MPa。在MEPSZ中复合尖晶石和Y2O3得到新型微晶PSZ，断裂韧性可达10MPa· m1/2以上，强度在500～700MPa之间。可见ZrO2基复合材料具有优异的力学性能。目前已应用的几个方面概述如下（包括PSZ和TZP）：

（1）在食品工业用作罐头盒接缝滚子，罐头盒穿孔器，柱塞，耐磨密封垫，真空轴套，悬垂轴承和单向阀门。

（2）在纺织工业用作导丝器，主要是由于稳定ZrO2在高温下具有导电性，可消除丝线与导丝器的静电，而且材料烧成后不需要加工表面即很光洁并耐高温。

（3）在陶瓷工业中，ZrO2用途很广，但主要用于分散体，研磨介质，窑具，粉磨机用的偏心轮盘等；在电子陶瓷领域多用作电绝缘耐热陶瓷基片。

（4）在冶金工业，利用稳定剂与ZrO2形成固溶体产生氧空位，可制备Mg-PSZ或Y-PSZ为基的氧敏探头，检测钢水中的Si、O等杂质的含量；在TZP或PSZ中复合适宜的Al2O3可制备耐1　600℃的高温泡沫陶瓷过滤器，是目前使用温度最高的一类过滤金属熔体的材料。

（5）在其它方面：ZrO2复合材料还可用于挤压模具和内燃机部件。用于水泵零部件，如制成ZrO2隔离垫圈，主要是因为ZrO2低温下是绝缘体，能防止涡流损失，这样在磁体周围无热量产生，可省去冷却装置、减小磁涡尺寸、提高机械效率、节省电能。此外，稳定的立方氧化锆陶瓷还多用于各类热阻涂层。

用ZrO2颗粒与莫来石复合后，强度和韧性显著提高，而且还降低烧成温度，莫来石-ZrO2复合材料性能见表6-3。将莫来石-ZrO2复合材料用作发动机部件的绝热材料，已引起重视。

表6-3　莫来石-ZrO2复合材料性能

2.纤维增强陶瓷基复合材料

纤维与陶瓷复合的目的主要是提高陶瓷材料的韧性。所用的纤维主要是碳纤维、Al2O3纤维、SiC纤维或晶须以及金属纤维等。研究较多的是碳纤维增强无定型二氧化硅、碳纤维增强碳化硅、碳纤维增强氮化硅、碳化硅纤维增强氮化硅、氮化硅纤维增强氧化铝、氧化锆纤维增强氧化锆等。复合方法主要有泥浆浇铸法、溶胶-凝胶法、化学气相渗透法等。

纤维增强陶瓷棊复合材料不仅保持了原陶瓷材料的优点，而且韧性和强度得到明显提高。表6-4是几种陶瓷经碳化硅纤维增强前后的性能比较，由表可见，经碳化硅纤维增强的各种陶瓷材料其断裂韧性和抗弯强度都远高于未增强的陶瓷材料。例如，SiC增强玻璃的断裂韧性提高了15倍，抗弯强度提高了12倍。

表6-4　陶瓷经碳化硅纤维增强前后的性能比较

纤维增强陶瓷硬度高、耐磨性好、耐高温，且有一定韧性，可用作切削刀具。例如用碳化硅晶须增强氧化铝刀具切削镍基合金、钢和铸铁零件，进刀量和切削速度都可大大提高，而且使用寿命增加。

纤维增强陶瓷材料还具有比强度和比模量高、韧性好的特点，在军事上和空间技术上有很好的应用前景。例如，石英纤维增强二氧化硅，碳化硅增强二氧化硅，碳化硼增强石墨，碳、碳化硅或氧化铝纤维增强玻璃等可作导弹的雷达罩、重返空间飞行器的天线窗和鼻锥、装甲、发动机零部件、换热器、气轮机零部件、轴承和喷嘴等。利用碳纤维强化碳可以改善材料的断裂韧性，使其大幅度提高。作为高温材料，碳/碳复合材料在很多领域都得到了应用，从火箭、宇宙飞船、人造卫星等使用的先进材料到一般工业材料等。由于其性能优越，所以即使是将成本因素考虑在内，也可以与钢铁材料竞争。

6.6　聚合物基复合材料

聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。纤维的高强度、高模量特性，使它成为理想的承载体。粘接性能好、模量较低的树脂基材料把纤维牢固地粘接起来，同时，基体又能使载荷均匀分布，并将载荷传递到纤维上去。由此可知，纤维和基体之间界面的结合也是非常重要的。聚合物基复合材料常用的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar（芳纶）纤维及其织物、毡等，基体材料为热固性塑料（如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、有机硅树脂等）和热塑性塑料（如尼龙、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等）。这类材料的复合与制品的成型是同时完成的，常用的成型方法有手糊法、喷射法、压制法、缠绕成型法、离心成型法和袋压法等。广泛使用的是玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料和Kevlar纤维增强塑料。

对于一般工业应用来说，主要利用聚合物基复合材料的弹性（或韧性）好、耐腐蚀性好的特点，颗粒增强型聚合物基复合材料具有较好的抗摩擦磨损性能。对于航空与航天飞行器来说，非常注重减轻飞行器的结构重量，因此具有高的比强度、比模量的复合材料是飞行器理想的结构材料。

在耐磨耐腐蚀玻璃纤维复合材料研制中主要依据产品使用和设计要求，如集装箱长年在室外作为装卸垃圾的容器，要具有耐水、耐腐蚀、耐燃、耐磨、耐冲击等性能。不饱和聚酯是制造玻璃钢的一种重要树脂，在国外，不饱和聚酯树脂占玻璃钢用树脂总量的80%以上。在国内，近几年来，由于不饱和聚酯树脂比环氧树脂和酚醛树脂优点略多，所以玻璃钢方面应用不饱和聚酯也愈来愈多。在成型方法和模具确定之后，玻璃钢制品的质量很大程度取决于原材料的性能和质量，因此在垃圾集装箱试制中，合理选择和使用原材料是提高产品质量的关键之一，用不同性能和质量的原材料试制出的制品性能差异很大。表6-5对各种材料的力学性能做了比较。

表6-5　各种材料的力学性能

1.玻璃纤维增强塑料

玻璃纤维增强塑料也称玻璃钢，按塑料基体性质可分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。

热塑性玻璃钢是由体积分数为20%～40%的玻璃纤维与60%～80%的热塑性树脂组成，具有高强度和高冲击韧性、良好的低温性能及低热膨胀系数。热固性玻璃钢是由体积分数为60%～70%的玻璃纤维（或玻璃布）与30%～40%热固性树脂组成，其主要优点是密度小、强度高。它的比强度超过一般高强度钢和铝合金及钛合金，耐腐蚀，绝缘、绝热性好，吸水性低，防磁，微波穿透性好，易于加工成型。

玻璃钢主要用于制造要求自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。例如在航天和航空工业中制造雷达罩、直升飞机机身、飞机螺旋桨、发动机叶轮、火箭导弹发动机壳体和燃料箱等；在船舶工业中用于制造轻型船、艇、舰，因玻璃钢无磁性，用其制造的扫雷艇可避免磁性水雷的袭击；在车辆工业中制造汽车、机车、拖拉机车身，发动机机罩等；在电机电器工业中制造重型发电机护环、大型变压器线圈绝缘筒以及各种绝缘零件等；在石油化工工业中代替不锈钢制作耐酸、耐碱、耐油的容器、管道和反应釜等。

2.环氧树脂基耐磨复合材料

（1）Al2O3颗粒增强环氧树脂基耐磨复合材料

环氧树脂基耐磨复合材料涂层已日益广泛应用于工作在浆体冲蚀磨损工况下的工件（如水轮机叶片、泥浆泵、选矿机部件等）表面，作为耐冲蚀保护涂层，以及用于腐蚀、磨损面的修补。由于它具有良好的耐冲蚀磨损性能，并且涂敷工艺简单，成本低廉，无热影响区及变形等，因而具有广泛的应用前景，而进一步提高这类材料的耐磨性则成为亟待解决的关键问题之一。

现有研究表明，这类复合材料涂层的冲蚀磨损由树脂基体的磨损和填料颗粒的磨损组成，磨损后基体材料出现塑性变形唇，即基体具有半塑性的冲蚀磨损特性。同时，若基体材料的塑性、韧性较差，当塑性变形量累积到一定程度时，基体就会出现裂纹，并以片状或块状等形式脱落，断口形貌有明显的脆性断裂特征。

填料颗粒的磨损主要有两种形式：颗粒的脆性破碎和整体脱落。脆性破碎主要发生在颗粒的尖角部分和薄弱的边缘部分。若填料颗粒的粒形较为圆整，如球形或圆角形，则复合涂层的耐磨性将有所增加。颗粒整体脱落的原因是由于磨损过程中材料表面发生选择性磨损，使填料颗粒逐渐凸出，当填料颗粒与胶体基体的粘接面积减小到一定程度，填料颗粒与胶体基体的粘接强度不足以抵抗磨料的冲击力时，颗粒便会整体脱落。

改善环氧树脂基体的韧性以及优化填料结构是提高涂层耐磨性的有效途径，高义民等采用聚氨酯预聚体改性环氧树脂为基体，通过添加不同体积分数和不同级配的Al2O3颗粒，制备出一种新型的耐磨复合涂层材料，冲蚀磨损试验结果见图 6-12所示。

图6-12　体积磨损率V随颗粒体积分数φc的变化规律

（2）纳米陶瓷增强环氧树脂复合材料

用纳米陶瓷微粒作为填料，环氧树脂作为基体，制备的纳米陶瓷增强环氧树脂复合材料具有较好的抗摩擦磨损性能。石光等人通过研究纳米Al2O3微粒在基体中的分散及界面结合对环氧树脂复合材料摩擦磨损学性能（摩擦系数和比磨损率）的影响，验证了该结论，如图 6-13和图 6-14所示。

图6-13　纳米Al2O3微粒填充环氧树脂复合材料的摩擦
系数随填料体积分数变化的关系曲线

图6-14　纳米Al2O3微粒填充环氧树脂复合材料比磨损
率随填料体积分数变化的关系曲线

该复合材料磨损过程中，填充纳米Al2O3可以显著降低环氧树脂的摩擦系数和磨损率，对纳米Al2O3微粒表面进行偶联剂改性处理或辐照接枝处理可以进一步改善填充复合材料的摩擦磨损性能。同环氧树脂基体相比，Al2O3纳米微粒填充复合材料的热变形稳定性和显微硬度明显提高，从而使得摩擦磨损性能得以改善。此外，填充纳米微粒使得环氧树脂复合材料的主要磨损机理转变为疲劳磨损。化学改性纳米微粒填充复合材料的耐磨性能最佳，这是由于化学改性纳米微粒填料同基体树脂之间的界面结合较强所致。

在各种磨损工况下，磨粒对复合材料的破坏主要是由切削、冲击作用造成的，当材料受到磨粒挤压、撞击时会发生塑性变形，从而使蓄积在基体内的弹性变形能增加。当基体内蓄积的弹性变形能达到一定程度时，若产生的应力超过了材料的断裂极限，就会发生切削；若产生的应力超过了材料的塑性极限而低于材料的断裂极限，则会发生塑性变形，最后形成裂纹而导致材料破坏。Al2O3颗粒、纳米微粒增强的环氧树脂基耐磨复合材料在磨损时，由于选择性磨损的作用，较软的基体首先发生变形与磨损，当磨损一段时间后，陶瓷颗粒逐渐凸出于基体，由于其硬度很高，起到了很好的保护基体的作用，纳米微粒则提高了基体材料强度和硬度，增加了材料的抗磨损性能。同时，对树脂进行改性后，提高了基体对陶瓷颗粒的粘接强度，使陶瓷颗粒更难于从基体中脱落，从而起到抗磨骨干作用，特别是当基体中含有一定数量的Al2O3颗粒时，其作用更为显著。上述研究结果为服役于不同磨损工况下的耐磨零件的选材提供了依据。