金屬材料和陶瓷材料是我們在航空航天、船舶、汽車、日用等行業(yè)十分常見的材料，已經(jīng)融入到我們的方方面面。金屬陶瓷作為金屬材料和陶瓷材料研發(fā)的一種新型復(fù)合材料，兼具金屬和陶瓷材料的某些優(yōu)點(diǎn)，受到科研工作者的廣泛關(guān)注，是材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。近年來，金屬陶瓷的研究成果越來越多，新品種不斷出現(xiàn)，理論體系也日趨成熟。

圖1 金屬陶瓷航空鋁材質(zhì)手機(jī)外殼

一、金屬陶瓷簡介

金屬陶瓷，是一種由金屬或合金和一種或幾種陶瓷相所組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料，其中后者約占15%～85vol%，當(dāng)陶瓷含量高于50vol%時(shí)，亦可稱為陶瓷-金屬復(fù)合材料。金屬陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中的詞頭Cer/Cera與金屬(Metal)中的詞頭Met結(jié)合起來構(gòu)成。

金屬陶瓷的理想結(jié)構(gòu)是彌散且均勻分布的陶瓷顆粒表面被連續(xù)薄膜形態(tài)的金屬相包裹，其中陶瓷相承受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，通過連續(xù)的金屬相分散，金屬相因呈薄膜狀包裹再陶瓷顆粒表面而得到強(qiáng)化，故金屬陶瓷作為介于高溫合金和陶瓷材料之間的一種高溫材料，具有兼顧金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點(diǎn)、耐腐蝕和耐磨損等性能。

圖2 常見材料化學(xué)穩(wěn)定性與抗熱沖擊性匯總

圖3 陶瓷材料和金屬材料楊氏模量及斷裂強(qiáng)度對比

二、金屬陶瓷的發(fā)展史

第一代：二戰(zhàn)期間，德國以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷；

第二代：60年代美國福特汽車公司發(fā)明的，它添加Mo到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其它碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；

第三代：金屬陶瓷則將N元素引入合金的硬質(zhì)相，改單一相為復(fù)合相，形成Ti(C，N)固溶體；

20世紀(jì)80年代，硼化物陶瓷由于具有很高的硬度、熔點(diǎn)和優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐腐蝕性，成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。

圖4 TiC金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)示意圖

三、金屬陶瓷材料匹配的原則

1、相間熱力學(xué)匹配：金屬相的加入大幅降低陶瓷的燒結(jié)溫度，改善期脆性。純TiC材料因其燒結(jié)溫度在2000℃高溫，晶粒生長較快，致密度和性能較低，加入Ni-Mo金屬作為粘接相，形成TiC-Ni-Mo陶瓷金屬，可在1300℃燒結(jié)，且致密度和機(jī)械性能均有提高，詳見圖5；

圖5 Ni-Mo金屬含量對TiC-Ni-Mo陶瓷金屬斷裂強(qiáng)度的影響

2、相容性：包括陶瓷與金屬材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等的相容性，如兩者熱膨脹系數(shù)相差過大，造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低材料的熱穩(wěn)定性；

圖6 Ag金屬納米線/氧化鋁陶瓷復(fù)合超材料薄膜超材料薄膜

3、相間熱穩(wěn)定性：金屬相與陶瓷相之間無劇烈的化學(xué)反應(yīng)。如發(fā)生反應(yīng)形成化合物，則金屬相無法改善陶瓷的低機(jī)械性能。

表1 真空中陶瓷與金屬反應(yīng)溫度下線/℃

4、潤濕性：陶瓷與金屬之間的潤濕性是衡量金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)劣的關(guān)鍵條件，潤濕性越好，金屬相形成的連續(xù)相可能性越大，陶瓷金屬的性能越好。

四、陶瓷金屬的分類

金屬陶瓷的制備工藝包括粉末冶金、自蔓延高溫合成、真空微波燒結(jié)、原位反應(yīng)、機(jī)械合金化等，其中采用較多的是粉末冶金法（圖4）。金屬陶瓷中陶瓷相通常是高熔點(diǎn)氧化物（Al₂O₃、ZrO₃、BeO、MgO等）、氮化物（TiN、BN、Si₃N₄等）、碳化物（TiC、WC等）、硼化物（TiB₂、ZrB₂等），金屬相主要由Ti、Cr、Ni、Co、Fe等各種金屬單獨(dú)或則一起使用，也可以是金屬材料，如青銅合金、高溫合金等。根據(jù)陶瓷相的種類，金屬陶瓷主要分為氧化物基、碳化物基、碳氮化物基、硼化物基、含石墨或金剛石碳化物基，其具體的分類詳見表2。

圖7 納米金屬陶瓷復(fù)合材料微觀組織

表2 金屬陶瓷分類及應(yīng)用匯總

圖8 高強(qiáng)度金屬陶瓷材料及精密成型方案

PS：由于“金屬陶瓷”和“硬質(zhì)合金”兩個(gè)學(xué)科術(shù)語沒有明確的分界，所以具體材料也很難劃分界線，本文采用I.E.Campbell的觀點(diǎn)，將“硬質(zhì)合金”歸于“金屬陶瓷”。

五、金屬陶瓷的應(yīng)用

1、航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，耐高溫、抗磨損、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性等苛刻的環(huán)境與技術(shù)要求，金屬陶瓷有了廣闊的發(fā)揮空間。金屬陶瓷良好的耐磨性與高溫強(qiáng)度，可用于制造航空或航天發(fā)動(dòng)機(jī)的閥、靜止的環(huán)件等。硼化鉻晶體和鉻－鉬合金粘結(jié)的硼化鉻金屬陶瓷具有良好的斷裂強(qiáng)度和足夠高的抗熱震性，可用于制備燃?xì)鉁u輪葉片、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和內(nèi)燃機(jī)閥座等。而具有抗高溫沖刷和氧化特性的W-Cr-Al₂O₃金屬陶瓷可用于制作采用固體推進(jìn)劑的導(dǎo)彈噴管襯套。此外，美國NASA還考慮把金屬陶瓷作為液態(tài)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的自潤滑軸承材料。

廣泛應(yīng)用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層一般由三層組成，最內(nèi)層是與基體結(jié)構(gòu)相接近的金屬，最外層是陶瓷，而陶瓷與金屬的中間過渡層通常采用金屬陶瓷制成（圖9）。英國羅·羅公司把一層厚度為0.1mm的含Mg的ZrO₂基金屬陶瓷作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層的中間過渡層，取得了比較好的應(yīng)用效果。

圖9 帶有熱障涂層的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

2、艦船領(lǐng)域

普通的金屬合金材料涂覆在艦船表面容易因摩擦、電位腐蝕、海水腐蝕等情況導(dǎo)致涂層脫落，從而失去涂層的作用，而金屬陶瓷涂層除具有金屬的韌性，同時(shí)具有陶瓷本身的化學(xué)惰性能夠有效阻隔海水、電位帶來的腐蝕。影響金屬陶瓷涂層的因素有很多，其中最重要的是金屬陶瓷涂層材料的選取以及噴涂技術(shù)的選取，同時(shí)這些決定因素也是金屬陶瓷涂層能夠得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。圖10為Cr₂O₃·5SiO₂·3TiO₂涂層的板材在廈門海域(海水pH值8.1～8.2，年均水溫21℃，年均鹽度為27.00‰) 開展30天的海水腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。加噴金屬陶瓷復(fù)合材料涂層作為絕緣層涂層掛板表面未見銹蝕現(xiàn)象，試板上附著有部分海鞘，無大型海生物附著，而左側(cè)的直接在鋼基體因噴涂銅合金，海水滲透到鋼基體產(chǎn)生銹蝕，但涂層完好處無海生物附著。

圖10 海水掛板試驗(yàn)結(jié)果（左，銅合金涂層，右，金屬陶瓷復(fù)合材料涂層）

3、制造加工領(lǐng)域

高硬度、耐磨性好、高抗彎強(qiáng)度、抗韌性好、抗氧化等性能決定了金屬陶瓷材料在制造加工領(lǐng)域有著不可替代的作用，尤其在量具和切削刀具方面（圖11和表3）。與硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷具有以下特點(diǎn)：

（1）化學(xué)穩(wěn)定性及抗氧化性較好，尤其是硬度和抗硬性均較好，可加工硬度小于HRC45的鑄鐵、碳鋼等材料，同時(shí)適合做計(jì)量工具的規(guī)塊和軸承材料；

（2）抗粘附性良好，可有效的去除刀刃上的積屑瘤和量具上的殘留油污及廢屑；

（3）更高的熱硬性、耐磨性和韌性，可用于高速切削加工刀具和高溫等特殊環(huán)境下的軸承材料。

圖11 金屬陶瓷刀加工圖

WC-Co是國內(nèi)外研究最早也是目前廣泛應(yīng)用的一類金屬陶瓷，主要用于加工制造領(lǐng)域。隨著研究的深入，開發(fā)了Ti(C,N)基金屬陶瓷。Ti(C,N)金屬陶瓷具有比較獨(dú)特的“芯／環(huán)”結(jié)構(gòu)，其組織特征由三部分構(gòu)成：TiC或Ti(C,N)硬質(zhì)相組成的核心，即“芯”；邊緣為TiC或Ti(C,N)的復(fù)雜固溶體組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，也就是“環(huán)”；由鎳、鈷和溶入其中的鈦、鉬、碳和氮組成的粘結(jié)相。Ti(C,N)基金屬陶瓷比WC基金屬陶瓷具有更高的硬度、更好的抗腐蝕性以及更高的切削速度。

圖12 金屬陶瓷軸承與刀具

表3 我國主要刀具產(chǎn)品市場

4、其他領(lǐng)域

具有良好的耐高溫性能、抗腐蝕性的金屬陶瓷在其他領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，例如冶金工業(yè)用的耐高溫坩堝和高溫件、機(jī)械工業(yè)的耐高溫耐磨零部件、電子工業(yè)的熱離子陰極等。相關(guān)學(xué)者研究了一種在冶金領(lǐng)域應(yīng)用的金屬陶瓷質(zhì)滑動(dòng)水口磚，其采用剛玉和金屬鋁為主要原料，加入少量碳粉及抗氧化劑，制得的滑動(dòng)水口磚具有使用壽命長、抗鋼水侵蝕和抗沖刷性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖13 鉬基金屬陶瓷管熱電偶（左）與散熱陶瓷基板（右）

六、金屬陶瓷的發(fā)展趨勢展望

金屬陶瓷材料在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，對工業(yè)快速發(fā)展著重要的推動(dòng)作用，相關(guān)研究已成為材料研究領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的研究課題。陶瓷金屬的發(fā)展趨勢主要包括：

1、新金屬陶瓷材料的研發(fā)：一為新型硬質(zhì)相和復(fù)合硬質(zhì)相的開發(fā)；二為利用常見金屬代替稀有金屬，如Fe代替Co；三為陶瓷和金屬的相成分及含量可突破以前的限制；

2、納米級金屬陶瓷的研發(fā)：當(dāng)金屬粘接相不變時(shí)，陶瓷的晶粒達(dá)到納米尺寸可提高其機(jī)械性能；

3、梯度金屬陶瓷的研發(fā)：開發(fā)熱應(yīng)力緩釋型等特殊性的梯度金屬陶瓷對于滿足不同部位的不同性能要求具有重要意義。

圖14 梯度金屬陶瓷材料組織

4、金屬陶瓷回收再利用問題：受環(huán)境保護(hù)和資源利用意識(shí)的影響，采用現(xiàn)代化技術(shù)和大規(guī)模生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)資源的充分利用和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，已經(jīng)成為金屬陶瓷發(fā)展的不可忽略的問題。

作者：弋木

參考文獻(xiàn)：

1、金屬陶瓷先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展，張勇等。

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7、金屬陶瓷復(fù)合涂層在艦船防腐技術(shù)中的應(yīng)用，閆媛媛等。