專利名稱:復(fù)合陶瓷制品及其制作方法
本申請是一九八五年二月四日以馬克·斯·紐柯克等人(Morc S·new kirk etal)的名義提出的題名《復(fù)合陶瓷制品及其制作方法》的未決美國專利申請697，876的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明廣泛地涉及新型復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)及其新的制作方法。具體地講，本發(fā)明涉及具有包繞或鑲嵌惰性填充材料的多晶基質(zhì)的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)，以及用母體金屬氧化反應(yīng)產(chǎn)物向可滲透的填料中生長以形成復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的方法。
制作陶瓷的傳統(tǒng)方法，無法把陶瓷自身制成陶瓷基質(zhì)的復(fù)合方材料，特別是增強(qiáng)纖維和或增強(qiáng)絲網(wǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合結(jié)構(gòu)是包括多相材料，實(shí)體或由兩種以上的不同原料構(gòu)成的物體的結(jié)構(gòu)，為了獲得這種復(fù)合物的理想性能，應(yīng)將這些不同的原料緊密地結(jié)合在一起。例如把一種材料嵌入另一種材料的基質(zhì)中，兩種不同的材料便可緊密地結(jié)合在一起。典型陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)由包含一種或多種不同填料，如顆粒、纖維、棒桿以及其它填料的陶瓷基質(zhì)組成。
制作陶瓷的傳統(tǒng)方法，一般包括以下幾個步驟(一)將原料制作成粉末;
(二)將粉末碾成非常精細(xì)的顆粒;
(三)將粉末制成所要求的物體的幾何形狀。
(要考慮到后面的加工過程中的收縮)例如，這一步可通過單向壓制、均衡壓制、噴灌模塑、束模塑、粉漿澆鑄和其它幾種技術(shù)來完成。
(四)將成形體加熱到較高溫度，使之硬化。這就使單個粉狀顆粒結(jié)合在一起，形成一種整體結(jié)構(gòu)。雖然在某些情況下，需要另外的驅(qū)動力，并能夠通過使用單向的或均衡的(如熱均衡壓力)外部壓力提供，但是，完成這一步最好不要使用壓力(而用燒結(jié)的方法)。
(五)按需要，用金鋼石多次研磨處理。
在制作陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料的過程中，對于傳統(tǒng)方法來說，最困難的是上述(四)，即硬化這一步，如果原料不是非常合適的，通常優(yōu)先選用的方法，無壓燒結(jié)可能很難，甚至不可能把顆粒復(fù)合。更主要的是，即使原料合適，大多數(shù)情況下，正常的燒結(jié)也不可能有纖維復(fù)合，這是因?yàn)槿菀追恋K硬化的粉末顆粒必要的位移的纖維妨礙了顆粒的結(jié)合。在有些情況下，通過高溫條件下外部壓力的作用，用強(qiáng)制硬化的工藝已經(jīng)部分地克服了這一困難。然而，這樣的制作也會產(chǎn)生許多的問題，其中包括因外力的使用，使增強(qiáng)纖維受到破裂或損傷，限制了制作復(fù)雜形狀的制品的能力(特別是在單向熱壓的情況下)，并且由于生產(chǎn)效率低，有時還需要大量的后處理工作，而導(dǎo)致很高的成本。
如果要想在基質(zhì)內(nèi)部保持復(fù)合物第二相顆粒的分布，另外一些困難也可能在物體成形的過程即上述步驟(三)中產(chǎn)生。例如，在纖維陶瓷復(fù)合物的制作過程中，包括在物體成形步驟中的粉末和纖維流動過程會產(chǎn)生增強(qiáng)纖維的非均勻性和不需要的取向性。結(jié)果造成特殊性能的損失。
其它方法也被用作形成陶瓷基復(fù)合物的手段。例如對于碳化硅纖維加強(qiáng)碳化硅基質(zhì)復(fù)合物，通常采用其它反應(yīng)形成需要的陶瓷的方法(化學(xué)蒸汽沉積工藝)形成基質(zhì)結(jié)構(gòu)。使用這種方法，只能取得有限的成功，這部分是因?yàn)榛|(zhì)的沉積過程容易立即在所有復(fù)合物第二相的表面上發(fā)生，這就造成基質(zhì)的發(fā)展只能到生成表面交叉時才能發(fā)生，物體內(nèi)的多孔性幾乎是必然結(jié)果。另外，基質(zhì)的沉積速度慢到這樣的程度，以致于，除了最神秘的使用之外，使得這種復(fù)合物昂貴到禁止性的程度。
第二種非傳統(tǒng)的制作方法包括，含有需要的元素的流動有機(jī)原料和復(fù)合物顆粒或纖維的滲透作用，借此形成需要的陶瓷基質(zhì)。把這種物質(zhì)加熱到高溫，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成陶瓷。同樣，由于在加熱期間，除去了大量的揮發(fā)性物質(zhì)，開始流動組合物中的必要成分，容易留下多孔和/或容易破裂的陶瓷體，所以也只取得了有限的成功。
美國專利第3，437，468號(Seufert)公開了某些用熔化鋁進(jìn)行反應(yīng)而獲得的復(fù)合材料?？墒牵@些材料的基質(zhì)成分原來就含有大量的鋁酸鎂，這種材料的性能沒有某些其它陶瓷，如氧化鋁理想(如硬度較低)。另外，該專利的技術(shù)要求，主要依靠鋁與氧化鎂和二氧化硅的反應(yīng)(以游離或結(jié)合的形式)形成的陶瓷，這就降低了工藝過程的靈活性。并限制了存在于最后的陶瓷產(chǎn)品基質(zhì)中的實(shí)際硅含量(除去鋁酸鎂)。
本申請的主題與下列美國同屬未決專利申請相關(guān)一九八六年一月七日提交的第 號，它是一九八五年九月十七日提交的第776，964號的部分繼續(xù)申請，第776，964號是一九八五年二月二十六日提交的第705，787號的部分繼續(xù)申請，第705，787號是一九八四年三月十六號提交的第591，392號的部分繼續(xù)申請，所有這些都是馬克·斯·紐柯克·等人的名義，標(biāo)題為《新型陶瓷材料及其制作方法》;以及一九八六年一月提交的第 號，它是一九八五年九月十七日的第776，965號的部分繼續(xù)申請，第776，965號是一九八五年六月二十五日提交的第747，788號的部分繼續(xù)申請，第747，788號是一九八四年七月二十日提交的第632，636號的部分繼續(xù)申請，所有這些都是以馬克·斯·紐柯克·等人(Marc S·Newkirk et al)的名義，標(biāo)題為《制作自供陶瓷材料的方法》。上述每一個相關(guān)專利申請所公開的全部內(nèi)容都合并到此處。
上述同屬專利申請第591，392;705，787;776，964和 號公開透露了用氧化母體金屬的手段形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，以生產(chǎn)自供陶瓷體的新方法。更具體地講，為了形成在與氣相氧化劑接觸時發(fā)生反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物的母體金屬熔融體，將母體金屬加熱到高于自己的熔點(diǎn)，但又低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的溫度。延伸到熔融金屬母體與氧化劑之間，并且與之接觸的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，或者至少是部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物，保持在這個溫度;而熔融的金屬通過多晶氧化產(chǎn)物被抽吸，且是朝氧化劑抽吸，被抽吸的熔融金屬在和氧化劑接觸時，就形成氧化產(chǎn)物。當(dāng)這個過程繼續(xù)進(jìn)行的時候，通過多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成，后面的金屬繼續(xù)輸送，于是就連續(xù)“生長”出互相結(jié)合在一起的晶體陶瓷結(jié)構(gòu)。通常陶瓷體內(nèi)會含有通過多晶材料抽吸的母體金屬的末氧化成分，并在生成過程終結(jié)之后，隨陶瓷體冷卻而凝固在其中。正如這些同屬專利申請所說，新型陶瓷材料是通過母體金屬與氣相氧化劑之間的氧化反應(yīng)生成，氣相氧化劑是一種汽化材料或通常的氣體，它們提供氧化氣氛。在氧化物作為氧化反應(yīng)產(chǎn)物的情況下，氧氣或者含有氧的混合物都是適用的氧化劑。由于空氣比較經(jīng)濟(jì)，優(yōu)先選用空氣，然而，氧化作用在同屬專利申請和本申請中使用的是廣義的氧化，是指金屬對可以是一種或多種元素和/或化合物的氧化劑給出或其有電子。所以，不是氧的元素可以用作氧化劑。在某些情況下，為了有利于和促進(jìn)陶瓷體的生成，母體金屬可能需要一種或數(shù)種摻雜劑，而且摻雜劑作為母體金屬的合金成分。例如，在鋁作為母體金屬和空氣作為氧化劑的情況下，鎂、硅一類的摻雜物與作為母體金屬的鋁合金摻雜在一起，命名沒有使用兩種較多的摻雜物。
上述同屬專利申請第632，636、747，788、776，965以及 號，在發(fā)現(xiàn)上述生長條件的基礎(chǔ)上公開了進(jìn)一步發(fā)展。對于需要摻雜劑的母體金屬，在鋁是母體金屬，空氣是氧化劑的情況下，從外部將一層由一種或數(shù)種摻雜劑組成的材料施加在母體金屬的表面上，這樣，就避免了將母體金屬與鎂、鋅、硅之類的摻雜劑制成合金的必需性。從外部施用一層摻雜劑就允許局部地導(dǎo)致金屬通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物的輸送，也允許從選擇摻雜的母體金屬表面上或部分表面局部地生成陶瓷。這一發(fā)現(xiàn)具有很大的價值，其中包括陶瓷可以在一個或幾個選定的母體金屬表面區(qū)內(nèi)有區(qū)別地生長;由此，能更有效地應(yīng)用這一工藝過程，例如，通過只在母體金屬板的一個表面或部分該表面摻雜，以生長陶瓷平板。這項業(yè)經(jīng)證實(shí)的發(fā)明也具有這樣的效益，能夠產(chǎn)生或者促進(jìn)氧化反應(yīng)產(chǎn)物在沒有必要以合金的形式摻雜的母體金屬中生長;由此，使這一工藝過程容易進(jìn)行，例如，對原來不含合適的摻雜成分的市售金屬和合金的使用。
因此，上述同屬專利申請敘述了，氧化反應(yīng)產(chǎn)物容易地生長成所希望的厚度的生產(chǎn)過程;用常規(guī)的陶瓷生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到這樣的效果，在此之前是令人難以置信的。金屬的溫度上升到其熔點(diǎn)以上的一定范圍，又在摻雜劑存在(如果需要)的情況下，金屬就通過它自己或滲透性的氧化反應(yīng)產(chǎn)物輸送，使新鮮金屬露置在氧化環(huán)境中，從而產(chǎn)生進(jìn)一步氧化反應(yīng)產(chǎn)物。這種現(xiàn)象的結(jié)果是繼續(xù)生長出致密的相互聯(lián)結(jié)的，選擇性地含有普遍分布在生長結(jié)構(gòu)中的某些未氧化母體金屬的陶瓷。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制作自供陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該復(fù)合結(jié)構(gòu)包括(一)通過母體金屬如鋁合金的氧化作用得到陶瓷基質(zhì)。形成一種主要由以下幾種材料組成的多晶物質(zhì)。
(1)氧化反應(yīng)產(chǎn)物(例如α-氧化鋁)，它是上述母體金屬與氣相氧化劑(如氧)發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物;以及選擇性地含有，(2)一種或多種未氧化的母體金屬組份;
(二)嵌入基質(zhì)的填料。
一般來說，本發(fā)明是基于這樣的發(fā)現(xiàn)，如上述參考同屬專利申請所述，從金屬(以后稱為母體金屬，定義見后文)氧化得到的多晶材料能夠直接向與母體金屬毗連的填充材料的滲透顆粒中生長。填料卷進(jìn)并嵌入所生成的多晶材料中，形成一種復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，熔融母體金屬，由于通過自身或可滲透的氧化反應(yīng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)的遷移，從其初始表面(暴露于氧化劑的表面)朝著氧化劑和填充料向外氧化。氧化反應(yīng)產(chǎn)物長入可以由多種難熔和/或非一難熔的顆粒、纖維，或其它材料組成的填充料的空隙中。這樣得到的新型陶瓷基質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)是由嵌入填充材料的陶瓷多晶材料基質(zhì)組成。集結(jié)或顆粒形式的填充材料置于設(shè)定的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長的路線中，與金屬母體毗連的位置。填充材料既可是松散的，也可是聯(lián)結(jié)布置的，這種布置要有空隙，開口，插入間隔或類似間隙，以給氧化劑，氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長提供滲透通道。另外，填料可以是同質(zhì)的，也可以是多相的，正如本文所使用的，“填料”或“填料原料”這一術(shù)語，其意是指一種或數(shù)種材料，除非上下文另有說明。源于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成基質(zhì)，只是簡單地圍繞著填料生成，因此實(shí)際上是在不弄亂和移動填料的情況下，把填料嵌入。因此，不使用按已知的常規(guī)工藝得到致密復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)所需的高價而棘手的高溫，高壓處理手段，以及可能損壞或攪亂填料的布置的外力。另外，對常壓燒結(jié)形成陶瓷復(fù)合物，本發(fā)明大大減弱了或完全消除了化學(xué)上和物理上的適合性的嚴(yán)格要求。
在陶瓷基質(zhì)的生長過程中，把母體金屬熱到其熔點(diǎn)以上，低于氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的溫度，從而形成熔化的母體金屬，它與氧化劑反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。在這個溫度，或者在這個溫度的范圍內(nèi)，熔化金屬與延伸到金屬和氧化劑之間的至少部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物相接觸，通過氧化產(chǎn)物，熔融金屬向氧化劑，向毗連的填充料抽吸，使得氧化劑和先前形成的氧化產(chǎn)物之間的界面上，保持繼續(xù)生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。要有充分的時間繼續(xù)保持這種反應(yīng)，這樣才能把至少部分填料通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成的方法嵌入氧化反應(yīng)產(chǎn)物之中，以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，氧化反應(yīng)產(chǎn)物中，可以選擇性地包含未氧化的母體金屬成分。
本發(fā)明的產(chǎn)品通常作為，或經(jīng)過機(jī)械、拋光、研磨加工后作為商業(yè)成品;該成品實(shí)際包括(但不限定于)工業(yè)，結(jié)構(gòu)和技術(shù)陶瓷體;用于其電氣，耐磨、熱，結(jié)構(gòu)或其它特性十分重要，或能有有益的效果的應(yīng)用中的本發(fā)明的產(chǎn)品不包括循環(huán)材料或廢料，例如，熔融金屬工藝中可能產(chǎn)生的不需要的副產(chǎn)品。
在本說明和附加權(quán)利要求
中所使用的“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”一詞是指一種或數(shù)種在各種氧化狀態(tài)下的金屬，這時，金屬與其它元素、化合物或它們的結(jié)合共有電子，或失去了電子。因此在這一定義上，“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”就包括了一種或數(shù)種金屬與下列氧化劑發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物，例如氧、氮、囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、碲以及它們的化合物和上述物質(zhì)的結(jié)合，如甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯以及下述混合物。如空氣、H2/H2O和CO/CO2，后面這兩種用于減小環(huán)境中氧的活性。
在此處和附加權(quán)利要求
中所使用的術(shù)語“氧化劑”、“氣相氧化劑”以及其它氧化劑，都指含有特定的氣體或汽體氧化劑，意義在于，在氧化劑中的這類氣體或汽體是唯一的，是起主導(dǎo)作用的，或者說至少在使用的氧化環(huán)境條件下，能有效地氧化母體金屬。例如，雖然空氣的主要成分是氮，但空氣中氧的成分卻是唯一的，具有主要作用的母體金屬氧化劑，這是因?yàn)檠跏且环N比氮更強(qiáng)的氧化劑。因此，此處和權(quán)利要求
中使用的術(shù)語?？諝鈱儆凇昂鯕怏w”的氧化劑，而不是“含氮?dú)怏w”的氧化劑?！昂?dú)怏w”氧化劑的實(shí)例是“成形氣體”(forming gas)，其典型大約含有96%(體積)的氮、4%的氫。
本說明和附加權(quán)利要求
中所使用的術(shù)語“母體金屬”涉及到這樣的金屬，例如鋁，它是多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的前身，而且包括相對的純金屬，市售含雜質(zhì)的金屬，和或含有合金成分的金屬，以及上述前身為主要成分的合金;并且當(dāng)將一種特定的金屬稱之為母體金屬時，例如鋁，除非另有上下文的說明，指明的金屬應(yīng)當(dāng)限定在上述含意內(nèi)。雖然本發(fā)明已在此文中特別強(qiáng)調(diào)了用作母體金屬的鋁，但是，符合本發(fā)明要求的其它金屬，如鈦、硅、錫以及鋯之類也是適用的。
本說明和附加權(quán)利要求
中所使用的術(shù)語“陶瓷”并沒有限定在傳統(tǒng)意義的陶瓷體中。也就是說，在 個意義上，這個術(shù)語的含義不是，它全部由非金屬和無機(jī)物質(zhì)組成;而是指下述物體，就其組分或主要性質(zhì)而言，它主要是陶瓷，雖然它可以含有大量的一種或多種金屬，其典型含量為1～40%(體積)，甚至更多的金屬。
圖1A，是縱向截面示意圖，表示固定在耐火容器內(nèi)的由顆粒狀填料圍繞的母體金屬錠的配合。
圖1B，是放大了的示意圖，表示母體金屬氧化反應(yīng)產(chǎn)物的一部分滲透填料后，部分圖1A所示的組合。
圖2A～2D表示對按本發(fā)明處理的摻雜母體鋁和填料的組合，相應(yīng)的錠塊重量增加和相應(yīng)的單位重量增加。
圖3A～3D表示，按本發(fā)明，使低純度的填料顆粒嵌入氧化反應(yīng)產(chǎn)物中的處理后，各種鋁合金的相對重量的增加。
圖4A～4D表示，按本發(fā)明，使325目的鋁酸鎂尖晶石填料嵌入氧化反應(yīng)產(chǎn)物中的處理后，鋁母體的組合的單位重量的增加和錠塊重量增加。
圖5A～5D表示，按本發(fā)明把90篩目和95%純度的Sic填料嵌入氧化反應(yīng)產(chǎn)物，所述鋁母體組合件的相對錠塊重量增加和相對單位重量增加。
圖5E是根據(jù)本說明書中例五所制的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的400倍放大照像。
圖5F，是根據(jù)本說明中的例五所制作的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)粉末樣品的X射線衍射圖。
圖6A～6D表示，按本發(fā)明把90篩目和99%的純度Sic填料嵌入氧化反應(yīng)產(chǎn)物，所述的鋁基金屬相對的錠塊重量增加和相對單位重量增加。
圖7A～7B，是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，把金屬絲和氧化鋁顆粒以填料的形式嵌入氧化鋁陶瓷后的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的200倍和40倍放大照像。
圖8，是幅以400X放大的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)截面圖。陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)而制作的含有一層氧化鋁編織物填料的結(jié)構(gòu)。
圖9，是幅以1000X放大的陶瓷復(fù)合物的顯微照片。陶瓷復(fù)合物是根據(jù)例二十，把碳化硅顆粒和碳化硅陶瓷嵌入α-氧化鋁基質(zhì)而構(gòu)成的。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，為了通過生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物滲入填料，或部分填料而在其入嵌入填料，可將由鋁、硅、鋯、錫或鈦組成的母體金屬和滲透性的填料安排成彼此毗連并且彼此的取向，使氧化反應(yīng)產(chǎn)物向著填料的方向生成。母體金屬和填料彼此之間的定位和取向，可以用以下幾種方法來完成。把金屬體簡單地嵌入顆粒填料床內(nèi)，如圖1A所示;把一個或數(shù)個母體金屬體定位在填料床或其它填料組合內(nèi)，或者與其毗連。例如，填料可以包括，增強(qiáng)桿，棒，金屬絲、板、薄片、空心物體的格子，球形(實(shí)心或空心)、粉末或其它的顆粒、集聚體、耐火纖維布，如金屬編織品，鋼絲絨、纖維，管子、小管、小球丸，須晶等組成的床，或上述的結(jié)合，在任何情況下，都要這樣安排組合使氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長的方向朝著填充料，氧化產(chǎn)物滲透至少部分填料，這樣才能使生長的氧化反應(yīng)產(chǎn)物基質(zhì)進(jìn)入填料顆?；蛱盍象w之間的空隙。
如果需要一種或數(shù)種添加材料(如下所述)以促進(jìn)氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成，可以在母體金屬的上面或在里面使用添加劑，或者，在填料上使用添加劑，或者由填料提供添加劑。
雖然本發(fā)明在下文的敘述中，對用作母體金屬的鋁及其實(shí)施作了特別的強(qiáng)調(diào)，但只是出于舉例的目的;應(yīng)當(dāng)理解，象硅、錫、鋯這類的其它金屬也可以使用，它們符合或摻雜后符合本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)。
在使用鋁及其合金作為母體金屬，含氧氣體用作氧化劑的情況下，按下文所作的更為詳盡的敘述，將適量的摻加劑，合金或者施用到母體金屬中去。然后，把母體金屬放在坩堝或其他耐火的容器內(nèi)，使金屬表面暴露或包圍在上述的容器內(nèi)的與之毗連的填料中，并且存在氧化環(huán)境(典型的是四周有大氣壓力的空氣中)。再后，把得到的組合放在爐內(nèi)加熱，使其溫度升高到約850℃到1450℃的范圍內(nèi);約900℃到1350℃之間更好，這要根據(jù)填料，摻加劑和摻加劑的濃度或它們結(jié)合，依靠這些因素，開始發(fā)生母體金屬穿過自己正常的氧化層保護(hù)膜的輸送。
母體金屬持續(xù)的高溫暴露在氧化劑面前，使母體金屬不斷氧化，從而使多晶反應(yīng)產(chǎn)物層的厚度不斷增加。這種生成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物以相互連結(jié)的基質(zhì)(基質(zhì)還可包含未氧化的母體金屬成分)的形式浸漬了毗連的具有滲透性的填料，這樣就形成了結(jié)合在一起的復(fù)合物。在爐內(nèi)要提供足夠的空氣(或氧化性氣體)交換，保持其中相對恒定的氧化劑源，這樣生長的多晶基質(zhì)就以基本恒定的速度(也就是厚度以基本恒定的速度增加)浸漬或滲透填充料。氧化氣氛的更換，在空氣的情況下，可很方便地用爐內(nèi)通用的方法提供。基質(zhì)的生長，一直要進(jìn)行到至少發(fā)生下列情況的一種1)所有的母體金屬全被耗盡，2)氧化氣氛被非氧化氣氛取代，或者氧化劑用盡，或者氧化劑被排出;3)反應(yīng)溫度實(shí)際上不在氧化溫度范圍之內(nèi)，例如，低于母體金屬的熔點(diǎn)。通常情況下，降低爐溫之后，再把材料從中取出。
依賴于母體金屬和選擇的氧化系統(tǒng)，對本發(fā)明有用的填料實(shí)例，包括一種或數(shù)種氧化鋁、碳化硅、硅鋁氧氮，氧化鋯、硼化鋯、氮化鈦、鈦酸鋇、氮化硼、氮化硅、鐵合金，例如，鐵鉻鋁合金，碳、鋁及它們的混合物。然而，任何合適的填料都可用于本發(fā)明。三個特殊類別的有用填料可識別如下第一類填料包括這樣一些化學(xué)物質(zhì)，在工藝過程的溫度和氧化條件下，它不揮發(fā)，具有熱力學(xué)上的穩(wěn)定性，既不參加反應(yīng)也不過多地溶解在熔化的母體金屬中。對于本技術(shù)領(lǐng)域：
的人員，已知多種材料在鋁母體金屬和空氣或氧氣作為氧化劑使用的情況下，符合上述標(biāo)準(zhǔn)。這些材料包括下述金屬一元氧化物，鋁Al2O3;鈰Ce O2;鉿Hf O2;鑭La2O3;釹Na2O3;等多種氧化物;Sm2O3;鈧Se2O3;釷Th O2;鈾UO2;釔Y2O3和鋯Zr O2。此外，還有大量二元的、三元的和更多數(shù)目的金屬化合物，例如，鋁酸鎂尖晶石和Mg O·Al2O3也都是這類中的既穩(wěn)定又耐火的化合物。
第二類適用填料，這一類物質(zhì)在工藝過程的氧化性高溫條件下，它們不具有內(nèi)在的穩(wěn)定性;而由于動力學(xué)上的降解反應(yīng)比較慢，它能夠作為填料結(jié)合在陶瓷體內(nèi)部。在氧化鋁陶瓷基質(zhì)的情況下，其典型例子是碳化硅，在用氧氣或空氣按本發(fā)明氧化金屬鋁的必備條件下，這種材料會完全氧化，這是因?yàn)樗恍纬蓮?fù)蓋碳化硅顆粒的氧化硅保護(hù)層，去限制碳化硅的進(jìn)一步氧化。
第三類適用的填料，這樣一類從熱力學(xué)和動力學(xué)的角度來說，不能指望它在本發(fā)明的實(shí)踐中所要求的氧化環(huán)境或者顯露在熔化金屬面前殘留。下述條件能使這樣的填料與本發(fā)明的工藝過程要求相配合1)如果氧化環(huán)境的活性較低，2)通過在其上施加使這類填料在氧化環(huán)境中動力學(xué)上失去反應(yīng)性。這樣一類填料的一個例子是與熔化鋁母體金屬相聯(lián)接的碳纖維。如果用空氣或氧在1250℃的高溫上把鋁氧化，產(chǎn)生纖維結(jié)合的基質(zhì)，碳纖維就容易和鋁(形成碳化鋁)和氧化環(huán)境(形成CO或CO2)產(chǎn)生反應(yīng)。這些不需要的反應(yīng)可以通過以下方法加以避免。涂復(fù)碳纖維的方法(如用氧化鋁涂復(fù))防止和母體金屬和/或氧化劑反應(yīng);選擇性地使CO/CO2氣氛作為氧化劑，它容易氧化金屬鋁，但不氧化碳纖維。
不希望用解釋氧化過程的內(nèi)容，使其受到約束。熔化金屬是沿著在氧化反應(yīng)產(chǎn)物相內(nèi)的某些高能晶粒斷面上的通道遷移。不難理解，任何一種多晶材料都依賴于在材料內(nèi)毗連的晶粒之間的界面上晶格失配的程度，而表現(xiàn)出一定范圍的晶界能(表面自由能)。一般說來，低角度失配的晶界表現(xiàn)低表面能，而高角度晶界則表現(xiàn)出高表面能。雖然，由于在中間角度上有時會出現(xiàn)更有利的原子排列，使這種關(guān)系可能不是簡單的單調(diào)的角度增加的函數(shù)。相似的是，在三個晶粒的交線上，在多晶宏觀結(jié)構(gòu)中也典型地具有高能特性。
正如上述同屬專利申請中所作的進(jìn)一步說明，但不希望受其約束，母體金屬和氧化劑明顯地形成一種具有與熔化母體金屬的表面自由能關(guān)系有利的多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物，這樣，在母體金屬熔化的溫度范圍的某一部分內(nèi)，至少上述多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物的晶粒的某些斷面(即晶界或三晶交線)被熔化金屬的面性或線性通道取代。例如，考慮兩個實(shí)質(zhì)上，幾何形狀上等價的晶體/熔融金屬界面的變換結(jié)構(gòu)有較高表面自由能的晶界。在這樣的環(huán)境中，那種高能晶界或是不形成，或是立即分解成有利于被兩個晶體/金屬界面所限制的熔融金屬的面性通道。當(dāng)熔化金屬保持在熔化環(huán)境中和有效的溫度范圍內(nèi)時，它就沿著這樣的通道向氧化劑抽吸或遷移。更具體的是，這種現(xiàn)象在下述情況發(fā)生1)當(dāng)液體金屬浸潤多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物相(即γSL＜γSG，在這里γSL表示晶體/熔化金屬界面的表面自由能，γSG表示晶體/汽體界面上的表面自由能);
2)某些晶界能γB大于晶體/液體金屬界面能的2倍，即γBMAX＞2γSL，在這里γBMAX是多晶材料的最大晶界能。如果金屬取代了部分或全部材料中的三晶交線，具有線特性的熔化金屬通道就能夠很簡單地形成。
由于通道至少是部分地聯(lián)結(jié)在一起(即多晶材料的晶界是聯(lián)結(jié)在一起的)，所以，熔化金屬通過多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物向熔化金屬表面遷移，與氧化環(huán)境相接觸，在這里金屬經(jīng)過氧化，結(jié)果不斷地長成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。而且，由于沿著通道而行的熔化金屬的毛細(xì)作用使遷移過程比大多數(shù)正常的氧化現(xiàn)象的離子狀態(tài)動力要快的多，所以對于這種氧化過程觀察到的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生成速度比在其它氧化現(xiàn)象中一般觀察到的要快得多。
當(dāng)本發(fā)明的氧化反應(yīng)產(chǎn)物被沿著高能晶粒斷面而行的金屬滲透時，多晶反應(yīng)產(chǎn)物相自身沿著不符合γB＞2γSL標(biāo)準(zhǔn)的相對的低角度晶界在一維或多維，最好是三維方向進(jìn)行自身結(jié)合。這樣，本發(fā)明的產(chǎn)品顯示了傳統(tǒng)陶瓷許多理想的性能(如堅硬、耐火、抗磨損等等);同時從所分布的金屬相的存在獲得了另外的優(yōu)點(diǎn)，顯著的韌性和抗破裂性。
本發(fā)明的另一方面是，提供一種由陶器基質(zhì)和在基質(zhì)內(nèi)結(jié)合的填料組成的自供陶瓷復(fù)合物。用氣相氧化劑氧化母體金屬形成多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物而得到的基質(zhì)的特性是，由基本單相多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物和散布的金屬、或者空隙，或者兩者皆有表明，還由在氧化反應(yīng)產(chǎn)物晶粒邊界的晶格失配小于具有分布在相鄰晶體之間的面性金屬通道和/或面性空隙的那些相鄰的氧化反應(yīng)產(chǎn)物晶體之間晶格失配表明。在某些實(shí)例中，上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物相中的所有晶界，實(shí)際上都只有約小于五度的相鄰晶格之間的失配角。
在特定的溫度和氧化氣氛的情況下，某些母體金屬不用特殊的摻加或改性對本發(fā)明的氧化現(xiàn)象需要的標(biāo)準(zhǔn)就可滿足。然而，正如在上述同屬專利申請中所述，使用和母體金屬結(jié)合的添加劑，能夠有利地影響和促進(jìn)氧化反應(yīng)過程的進(jìn)行。在不希望受到添加劑作用的任何特定理論和說明的限制的同時，似乎是，有些添加劑在母體金屬和它的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間肯定的表面能關(guān)系并不是固有地存在的情況下，是有用的。所以，能減少固-液界面能的某些添加劑和組合添加劑，將容易促進(jìn)和加快，按新的過程的要求的需要，在金屬氧化時形成一種含有熔融金屬遷移通道的多晶結(jié)構(gòu)的發(fā)展，添加劑的另一作用可表現(xiàn)使產(chǎn)生陶瓷生長現(xiàn)象引發(fā)，顯然或者是由它作為形成穩(wěn)定氧化反應(yīng)產(chǎn)物晶體的成核劑，或者是由它以某一方式破壞初始氧化產(chǎn)物的純態(tài)層，或者是兩者皆有。這后一類的添加劑對產(chǎn)生本發(fā)明的陶瓷生成現(xiàn)象可能是不必要的，但是，這樣的添加劑對受工業(yè)實(shí)施限制的某些母體金屬系的這種生長的引發(fā)和縮短任何醞釀時間可能非常重要。
添加劑原料的作用可能與許多因素有關(guān);除了添加劑原料本身，這些因素包括，如，特定的母體金屬、理想的最終產(chǎn)品，在使用兩種或數(shù)種添加劑時，特定的添加劑組合，與合金添加劑結(jié)合的外用添加劑的使用，添加劑的濃度、氧化環(huán)境以及工藝條件。
一種添加劑或者多種添加劑，1)可以作為母體金屬的合金成份加以提供;
2)可以至少用于部分母體金屬的表面;
3)可以通過填料或者部分填料床，或者其結(jié)合的方式提供;或者采用上述(1)、(2)和(3)項技術(shù)的任何組合。例如，一種合金添加劑可以與外用添加劑結(jié)合使用，在一種或幾種添加劑施用于填料的(3)項技術(shù)情況下，這種施用可以通過任何適當(dāng)?shù)氖侄瓮瓿?，例如，將添加劑充分地分散到全部或部分?xì)顆粒形式的填料質(zhì)中去的方法，最好是分散到毗鄰母體的部分填料床中。也可以把一種或多種添加劑層施用到填料床中，包括填料床上或填料床中，包括填料床的任何內(nèi)部的開口，縫隙，通道，插入間隙等任何能提供滲透性者，由此可完成任何添加劑向填料的施用。也可以通過將含添加劑的剛性體放在至少部分母體金屬表面和填料床之間，并用與之接觸的方式，提供添加劑源。例如，如果需要硅添加劑，就可將含硅的玻璃或其它材料的薄片放到事前已經(jīng)施用了第二添加劑的母體金屬表面上。當(dāng)上面有含硅材料的母體金屬在氧化環(huán)境中熔化的時候，(例如，鋁在空氣中的情況下，溫度大約在850℃到1450之間，比較好的大約是在900℃～1350℃)多晶陶瓷材料向具有滲透性能的填料中的生長就會發(fā)生。在添加劑外部施用于至少部分母體金屬表面的情況下，多晶氧化物結(jié)構(gòu)一般在具有滲透性能的填料之中生長，且實(shí)際上長過添加劑層(也就是超出了所施用的添加劑層的厚度)。在任何情況下，一種或多種添加劑都可外部施用于母體金屬的表面上，和/或具有滲透性能的填料床上。另外，用施用在填料床的添加劑可以增強(qiáng)合金在母體金屬內(nèi)的添加劑和/或外部施用在母體金屬上的添加劑的作用。因此，合金在母體金屬內(nèi)和/或外施在母體金屬上的任何添加劑濃度的不足，都可以用向填料床施用相應(yīng)附加濃度的添加劑的方法補(bǔ)充;僅之亦然。
對于鋁母體，特別是空氣作為氧化劑時，有用的添加劑包括，如，金屬鎂和鋅，它們的組合，或與下述添加劑的組合。這些金屬或其適當(dāng)?shù)脑?，都可以按得到摻合金屬總重量計，每種占0.1～10%的濃度合金到鋁母體金屬中。對任何添加劑，其濃度范圍取決于添加劑的組合和工藝溫度等因素。在這個范圍的濃度表現(xiàn)出引發(fā)陶瓷生長，增強(qiáng)金屬遷移并且對得到的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長形態(tài)產(chǎn)生有利的影響。
對于鋁基母體金屬體系而言，其它對促進(jìn)多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長有效的摻雜劑的例子有硅、鍺、錫和鉛，特別是和鎂和鋅一起使用時更好。把這些摻雜劑中的一種或多種，或能轉(zhuǎn)變成為它們的適當(dāng)原料摻合到鋁母體金屬體系中去的濃度是每一種約從0.5到約15%的總合金重量;而且，摻雜劑的濃度范圍是約1～10%的總母體金屬合金重量時，從生長動力學(xué)和生長形態(tài)上考慮更為合適。用鉛作摻雜劑摻合到鋁基母體金屬中去時一般至少在1000℃，這是因?yàn)樗阡X的低溶解度所要求;然而，當(dāng)添加了其他的摻合成份時，例如錫，它一般能增加鉛的溶解度，所以允許在較低的溫度加入摻合物質(zhì)。
如上所述，根據(jù)不同情況，可使用一種或多種摻雜劑。例如當(dāng)空氣作為氧化劑時，對鋁母體金屬，特別有用的摻雜劑的搭配是(d)鎂和硅或(b)、鋅和硅。在這樣的實(shí)例中，鎂的最佳濃度是在約0.1到約3%重量范圍之內(nèi)，鋅的范圍是從約1到約6%(重量)，而硅的范圍是從約1到約10%重量。
用于鋁母體金屬的其它摻雜劑的例子還有鈉、鋰、鈣、硼、磷和釔，可以單獨(dú)使用也可以根據(jù)氧化劑和處理條件搭配一種或多種其它摻雜劑一起使用。鈉和鋰的用量很少，是以ppm計，典型的是約100-200ppm，可以單獨(dú)使用或同時使用，或和其它的一種或幾種摻雜劑搭配使用。稀土原素如鈰、鑭。鐠、釹和釤都可用作摻雜劑，而且尤其是和其它摻雜劑搭配使用更好。
如上所指，沒有必要把任何一個摻雜劑都摻合到母體金屬內(nèi)部去。例如可以選擇一種或幾種摻雜物以薄層的形式施用到母體金屬的全部或部分表面上，就能夠從母體金屬表面或部分表面上局部生長陶瓷，并且有助于多晶陶瓷材料本身在所選定的區(qū)域內(nèi)向滲透性填料中生長。這樣就可以用在母體金屬表面上局部安置摻雜材料的方法，來控制多晶陶瓷材料向可滲透性床中的生長。施用的摻雜劑涂層或薄層比母體金屬主體的厚度要薄些，向可滲透床里生長或成形的氧化反應(yīng)生成物實(shí)際上延伸到摻雜劑層之外，即延伸過施用的摻雜劑層的深度?？梢园岩后w的或糊狀的摻雜材料用涂抹、浸漬、繞絲、蒸發(fā)或其它方法造成這樣的摻雜劑層，或者用噴鍍、或簡單的沉積一層固體粒狀摻雜劑或摻雜劑的固態(tài)薄片或膜到母體金屬表面上。摻雜材料可以，但不一定包含有機(jī)的或無機(jī)的粘合劑，載體、溶劑、和/或增稠劑。最好是用粉末狀的摻雜劑材料加到母體金屬的表面上或至少通過一部分填料分散到母體金屬。把摻雜劑加到母體金屬表面上去的一個特別可取的方法是把摻雜劑在水/有機(jī)粘合劑混合物中的液態(tài)懸浮體噴到母體金屬表面上，以便得到一個粘附涂層，這就減化了摻雜母體金屬加工前的處理。
當(dāng)外部加入摻雜劑材料時，總是以它的均勻的涂層形式加到母體金屬的一部分表面之上。相對于母體金屬量的摻雜劑的有效用量的范圍是寬的，對于母體金屬是鋁時，實(shí)驗(yàn)還沒有找到操作的上限和下限。例如，對于鋁基母體金屬以空氣或氧作為氧化劑用二氧化硅形式的硅作為外加摻雜劑時，每克母體金屬的硅的量低達(dá)0.0001克，同時用了由鎂和/或鋅源提供的第二摻雜劑也造成多晶陶瓷生長現(xiàn)象。也已發(fā)現(xiàn)，用空氣或氧作為氧化劑，用Mg O作為摻雜劑，每克被氧化的母體金屬用0.0005克以上的摻雜劑，而且每平方厘米摻有Mg O的母體金屬表面的摻雜劑大于0.005克，從鋁基母體金屬可以得到陶瓷結(jié)構(gòu)。當(dāng)摻雜物用量增加時，在某種程度上產(chǎn)生陶瓷復(fù)合材料的所需的反應(yīng)時間就會減少一些，但是，這是和摻雜劑類型，母體金屬和反應(yīng)條件等因素有關(guān)的。
本發(fā)明的另一個重要特點(diǎn)是用改變處理條件的方法影響和控制生成的陶瓷基體的微結(jié)構(gòu)和各種性質(zhì)。例如維持各種條件使固-液界面能相對于氧化反應(yīng)產(chǎn)物中的晶粒邊界能明顯地減少時就會產(chǎn)生一種金屬含量增加的結(jié)構(gòu)，并且使得氧化反應(yīng)產(chǎn)物的相互連接程度降低;相反，如果使相應(yīng)的表面能往相反方向改變，就會生成一個含金屬相較少，而相互之間連結(jié)更多的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，也就是金屬輸送通道形成得更少。這種改變是能夠?qū)崿F(xiàn)的，例如通過改變摻雜劑的性質(zhì)或濃度或改變溫度和大氣等氧化環(huán)境。由于本方法具有這樣的特點(diǎn)，最后得出的材料的性質(zhì)，對于例如韌度和電導(dǎo)率之類的高度地受25%或30%(體積)或更多的金屬相的存在所影響的性質(zhì)，可以按從接近純陶瓷的性質(zhì)到相對很高等級之間定作。
當(dāng)母體金屬是鋁，用鎂作內(nèi)部摻雜且氧化介質(zhì)是空氣或氧時，已觀察到在約820到950℃溫度時至少有部分的鎂從合金中被氧化掉。在這樣的鎂-摻雜體系中，鎂在熔融合金的表面形成了一個氧化鎂和/或鋁酸鎂尖晶石相，而且在生長過程中這樣的鎂化合物主要保留在正在生長陶瓷結(jié)構(gòu)中的母體金屬合金的原始氧化物表面上(即所謂“初始表面in it iation surfucc”)。因?yàn)樵谶@種鎂-摻雜體系中，產(chǎn)生的氧化鋁-基結(jié)構(gòu)和創(chuàng)始表面上的較薄的鋁酸鎂尖晶石層是離開的。須要時可以容易地用磨、刮、拋光噴砂把原始表面去掉。
關(guān)于母體金屬內(nèi)的非功能合金成份，特別是那些其氧化物具有較小負(fù)形成自由能的成份，它們總是無害的，且會集結(jié)在保留的金屬包體相之中。例如，商品級鋁中都含有的少量合金雜質(zhì)象錳、鐵、銅、鎢和其它金屬，它們存在于鋁母體金屬中時是會兼容的，而且對本發(fā)明的方法的陶瓷生長機(jī)理不產(chǎn)生干擾。
從圖5E的氧化鋁陶瓷基質(zhì)產(chǎn)物載面的顯微照相看來，氧化反應(yīng)產(chǎn)物和金屬相之間的界面基本上是弧形的且是交織著的，或在網(wǎng)絡(luò)中形成曲折的微結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成的空隙代替金屬時，也已觀察到這種微結(jié)構(gòu)。以前的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料中，當(dāng)基質(zhì)的骨架是單相時，基質(zhì)微晶和空隙之間的界面基本上是交刻著的，也就是更多的棱角和參差不齊。而本發(fā)明的陶瓷產(chǎn)品主要有弧形或園形的交界面。這對于某些不具有這種弧形結(jié)構(gòu)的典型的互相交聯(lián)結(jié)構(gòu)講來可望有較低程度的應(yīng)力集中和較低的彈性模量。在某些具體實(shí)例中，本發(fā)明的陶瓷復(fù)合產(chǎn)品基本上是單相的，相互連結(jié)的陶瓷基質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)，其中，骨架結(jié)構(gòu)中的微晶復(fù)合連接處的晶粒界面內(nèi)不存在其它的相。用熔結(jié)的辦法要做成這樣的具有清楚的晶粒界面的陶瓷復(fù)合產(chǎn)品是困難的，甚至是不可能的，因?yàn)樵谌劢Y(jié)處理時雜質(zhì)會沉積在晶粒界面上。這樣的雜質(zhì)可能是非有意出現(xiàn)的，或者為了促進(jìn)熔結(jié)或限制高溫處理時晶粒的生成而有意添加的。而且產(chǎn)品基質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)中清楚的粒子界面這一特征是有意義的，因?yàn)樗鼈兡芴峁﹥?yōu)良的品質(zhì)如高溫強(qiáng)度保持性和抗蠕變能力。
本發(fā)明的其它實(shí)例中的陶瓷復(fù)合材料是致密的連結(jié)體，在陶瓷基質(zhì)中含有占復(fù)合材料總體積的約5%到約98%的一種或多種填充物。陶瓷基質(zhì)的總重量中含60%到約99%重量的相互連接的氧化鋁，還有約1%到約40%重量的含鋁金屬成份，其中還含有以原始表面的形式存在的約不到30%重量，最好是不到10%重量的鋁酸鎂尖晶石。
本發(fā)明的另一方面，提供一種復(fù)合材料包括(a)單一相的三維相互連接的氮化物陶瓷基質(zhì)，(b)一種或多種金屬組分，在整個基質(zhì)中還可以有分散的空隙，(c)被基質(zhì)包裹著的一種或多種填料。下面將給出氮化鋁，氮化鋯。氮化鈦和氮化硅的基質(zhì)復(fù)合材料的例子。這樣的復(fù)合材料是獨(dú)特的，而且有綜合了的力學(xué)的，熱學(xué)的和電學(xué)的性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。
下面的例子說明本發(fā)明實(shí)施的一些方面。在一些實(shí)例中包括了各種氧化鋁陶瓷基質(zhì)的形成，氧化反應(yīng)是在中等速率下進(jìn)行的，所以沒有由于反應(yīng)的放熱特性產(chǎn)生的顯著溫升。但對于談及的其它基質(zhì)體系，氧化反應(yīng)趨于更快，以致總觀察到實(shí)驗(yàn)裝置的瞬時加熱高于爐子的給定溫度。
例1為了對本發(fā)明的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長效果進(jìn)行觀察，用一定體積的含有氧化鋁顆粒的填料，選定一種含有一定數(shù)量的內(nèi)摻雜劑鎂和/或硅的鋁合金，開始時把鋁合金完全埋在顆粒性的氧化鋁填料床中，用空氣作為氧化劑在給定的從1100到1400℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行處理。
每次試驗(yàn)中所用的合金樣品是從在800～900℃熔融鑄錠上割下的1寸直徑及7～8吋長的圓柱體錠塊。把錠塊垂直放在一個適當(dāng)?shù)哪蜔徙Q堝內(nèi)的一層90目工業(yè)純度為99.5%的純氧化鋁磨料粒子(Norton Co.38 Alundum)上面，然后把所有面上覆蓋上一層厚度約為1/4到1/2吋的同樣的材料。圖1A示出母體金屬錠塊被完全埋在顆粒填料中，二者都放在耐熱鉗堝之內(nèi)。
每次實(shí)驗(yàn)在一個爐子中同時處理使用不同摻雜劑濃度的六個裝置。爐子允許周圍空氣通過爐壁上的無規(guī)則開口通過自然對流和擴(kuò)散進(jìn)入爐內(nèi)，這和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室用爐一樣，同時，還通過爐門上的1/4吋通氣孔進(jìn)入。名牌上的爐回路允許五小時使?fàn)t子達(dá)到給定溫度，在給定溫度下處理八十小時，然后經(jīng)五小時使?fàn)t子冷卻到600℃以下，然而把樣品從處理環(huán)境中取出。這樣某些填料粒子就滲透到陶瓷基質(zhì)中從而生成了連結(jié)的復(fù)合材料。
圖1B示出的截面圖使人相信，在操作條件下進(jìn)行一段時間以后(例如，需要的完成時間的一半)，圖1A的氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長區(qū)域的狀態(tài)圖示了氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成，以及隨著氧化反應(yīng)消耗有效提供的熔融母體金屬，形成的多晶基質(zhì)向著相鄰的粒狀填料中生長滲透并把它們包埋起來。
每次實(shí)驗(yàn)稱重四次如下1)鋁母體金屬錠塊的重(“Wi”);2)處理前的鉗堝和它的全部裝載(粒子床加上母體金屬錠塊)的重量(“Wc”);3)處理后的鉗堝和它的全部裝載的重量(“Wc/a”)和4)處理后的余下的母體金屬錠塊和固著的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，并包括所有未被氧化的組份的重量(“Wi/a”)。利用這些數(shù)據(jù)就可計算出作為鉗堝加上它的總裝載由于爐循環(huán)處理引起的重量變化和原母體金屬錠塊的重量之比的單位重量增益(unit useight gain“UWG”)。換言之，單位重量增益(UWG)等于裝置的最后重量減去裝置的原重量除以母體金屬錠塊的原重。上述關(guān)系亦可用公式表示UWG＝ (Wc/a-Wc)/(Wi)理論上單位重量增益可以高達(dá)0.89，它等于鋁完全轉(zhuǎn)化成了Al2O3，它和0.89的差數(shù)是主要?dú)w結(jié)為未被氧化的鋁合金母體金屬或它的未被氧化成份。
對于不同的實(shí)例，從這些數(shù)據(jù)推導(dǎo)出第二個量即錠塊重量增益(“IWG”)，它是(a)處理完畢從鉗堝中移出來后的余下的母體金屬錠塊和固著的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)以及它的所有的未被氧化掉的成分的重量(“Wi/a”)和(b)鋁母體金屬錠塊的原重量(“Wi”)之比。換言之，錠塊重量增益(IWG)等于陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)和所有的未氧化掉的母體金屬成分的重量減去母體金屬錠塊的原重量除以母體金屬錠塊的原重量。上述關(guān)系亦可用公式表示為IWG＝ (Wi/a-Wi)/(Wi)當(dāng)錠塊重量增益(“IWG”)顯著大于單位重量增益(“UWG”)時，例如達(dá)到從1～2.5的程度或更大時，說明填料被占優(yōu)勢的陶瓷多品材料所包埋引起顯著的增重。
代表的數(shù)據(jù)中沒有對一些項目作校正，如易揮發(fā)性物從耐火材料中的脫去，填料和氧化性氣氛的反應(yīng)及其它類似的因素。對實(shí)驗(yàn)中所得到的材料用包括目察、切割和對選定樣品作力學(xué)測量以核實(shí)復(fù)合體的性質(zhì)等方法進(jìn)行了評價。
圖2 A-2D示出了圖1A和圖1B所描述的一系列鋁合金在所選的給定爐溫下氧化80小時，使多晶材料往氧化鋁填料床中生長的單位重量增加和錠塊重量增加。在本圖和所有相似的圖例中符號X/Y代表標(biāo)稱摻雜劑濃度，X是硅濃度而Y是鎂濃度，二者都是用母體金屬總重的重量百分?jǐn)?shù)表示，這些結(jié)果表明，鋁母體金屬在使用特定的摻雜劑和用空氣為氧化劑時主要在1100～1400℃溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的迅速形成。而且圖2A-2D中各曲線的差異說明了在用氧-基氣態(tài)氧化劑時二元摻雜體系對于鋁-基母體金屬起著有益的作用，而且表示對摻雜劑材料的濃度作適當(dāng)選擇可以擴(kuò)大有效的溫度范圍。
下面的進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，用本發(fā)明的操作方法得出的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)體組合了填料和多晶基質(zhì)材料的各種特性，力學(xué)的，電學(xué)的，熱學(xué)的，其它諸如強(qiáng)度、硬度、韌度和電導(dǎo)率方面表現(xiàn)出新的組合性。各陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的各種測得的特性是用下述試驗(yàn)確定的。斷裂模量(modulus of rupture.“MOR”)的確定是對寬度(“W”)為0.375吋厚度(“d”)為0.125吋而長度超過一寸的矩形材料條進(jìn)行試驗(yàn)測得的。把試驗(yàn)條的0.375吋寬表面平放著而0.125吋的縱深表面立置在試驗(yàn)中。試驗(yàn)機(jī)通過一根1/4吋直徑的圓柱形鉆桿向試驗(yàn)條的底部加一個向上的力，即作用在下面的0.375吋的寬表面上，并在上面的0.375吋寬表面上對著向上運(yùn)動的力提供一對阻力點(diǎn)。二個阻力點(diǎn)沿著試驗(yàn)條的長度排列，且相隔一吋，二者的中心是提供向上的作用力的鉆桿位置。如果F是以磅為單位的向上作用力，則以每平方吋為單位的斷裂模量(“MOR”)可用下式計算MOR＝ (3Fl)/(2Wd)其中“W”和“d”如上所述，而“1”是對抗向上作用力的二個阻力點(diǎn)之間沿著試驗(yàn)條的距離，以吋為單位。在試驗(yàn)前在Blanchard-型磨床用50號金剛砂輪將試驗(yàn)條磨過，而鉆桿是以每分鐘0.002吋的十字頭速度作用在試驗(yàn)條上。
根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的磨蝕速率是用懷特工業(yè)產(chǎn)品公司的H-型噴氣磨機(jī)(by S..White Industrial Produts Airbrasivejet machining unit，Modcl-H)測定的。從二個不同的角度，一為90°(即垂直于試件的表面)另一為30°用空氣推動一股50微米粗細(xì)的氧化鋁顆粒(S.S.White ＃3)撞擊到陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品板的平面上，撞擊角為90°時噴射2分鐘，30°時為4分鐘。90°和30°的試驗(yàn)是在樣品不同的位置上進(jìn)行的，撞擊試驗(yàn)造成的陷坑的深度是用刻度指示深度規(guī)測量。在所有試驗(yàn)中使用了下列參數(shù)樣品的原表面和噴嘴之間的距離是0.625吋;噴射的空氣壓力是80磅/平方吋[表壓](psig);空氣流量是每分鐘0.4標(biāo)準(zhǔn)立方呎;噴嘴的孔內(nèi)徑是0.026吋。粉末流量是在用上述參數(shù)作標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)時用90°撞擊角(2分鐘)在Coors AD 998氧化鋁樣品上能給出深度為0.056±0.004吋的陷坑，以及用30°撞擊角(4分鐘)給出0.029吋深度的陷坑。Coors AD 998氧化鋁是一種99.8%純度的氧化鋁的材料。
本發(fā)明的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的腐蝕速度的測定是在室溫把樣品片分別浸在10%試劑級鹽酸溶液或10%試劑級硫酸溶液中。每種情況下都是周期地把試驗(yàn)樣品從酸溶液中拿出來，沖洗，干燥，稱重再回到酸浴中。把不同浸酸試樣的所有暴露表面上每平方厘米損失的重量損失作比較。
對于在1250°從含10%硅和3%鎂的鋁合金而且填料是例1中所述的氧化鋁顆粒生產(chǎn)出來的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，用上述斷裂試驗(yàn)測得其斷裂模量值超過25，000磅/每平方吋，測得其Rockwell A標(biāo)度的常量硬度為83，用上述的噴砂磨蝕試驗(yàn)測得它的磨耗速度比標(biāo)準(zhǔn)的99.8%純度，致密的氧化鋁片(Coors AD 998)低2到3倍，用上述的腐蝕試驗(yàn)測得在10%HCl和10%HSO中的腐蝕速度大致和標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁片(Coors AD998)相同。
例2為了觀察本發(fā)明的陶瓷材料往裝有細(xì)粒度的氧化鋁顆粒體中的生長效果，從850℃的熔體鑄成一塊1/2吋厚9吋長2吋寬且含有10%重量的硅3%重量的鎂作為摻雜劑的鋁/鎂/硅合金樣品條。把此鋁合金母體金屬條放在一層商品純的粒度為6微米的氧化鋁(Norton Co.E67 alumina，1000目)的上面，然后用同樣材料將其覆蓋到1/2吋的深度。把這塊氧化鋁顆粒復(fù)蓋了的樣品條放入和例1相同的氣氛的爐中，在起始后五小時使?fàn)t子達(dá)到給定度以后，再在給定溫度1.250°下處理72小時。在72小時加熱以后，再用五小時使樣品冷卻到600℃以下，然后把樣品從爐子中取出來。得到單位重量增益為0.72和錠塊重量增益為1.24。從得到的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)上切割一條1/8×3/8×1-1/4吋的樣品，用斷裂模量(modulusof rupture)試驗(yàn)測得它的破裂強(qiáng)度(breaking strength)為30，000磅每平方吋，測得洛氏(Rockwell-A)標(biāo)度的硬度為85.7。這些數(shù)據(jù)說明作為結(jié)構(gòu)陶瓷使用時是強(qiáng)而且硬的復(fù)合材料，從其性質(zhì)上看來是優(yōu)于例1中用較大粒度填料形成的那些復(fù)合材料。
例3為了觀察本發(fā)明基礎(chǔ)陶瓷多晶材料向純度比例1中所用的更低的氧化鋁顆粒體中的生長效果，把含有不同量的硅和/或鎂摻雜劑的一系列鋁合金母體金屬錠塊包埋在含約95%氧化鋁，3%二氧化鈦、1%硅石，和1%其它雜質(zhì)的90目工業(yè)磨料顆粒填料中(Norton Co.，El Alundum)，然后用從1100°到1325℃的范圍內(nèi)的不同給定溫度，其余和例1相同的工藝方法進(jìn)行處理。這些試驗(yàn)得出的單位重量增益和錠塊重量增益都示于圖3A-3D中。在1250℃的處理溫度下，含二種摻雜劑的那些母體金屬的單位重量增益在0.5到0.75之間，錠塊重量增益高達(dá)2.4到2.6，說明對于填料中存在的污染物是允許的。在1300℃的給定溫度或更高溫時得到的產(chǎn)物的重量增益比在1200-1250℃的給定溫度下得到的要明顯地低。在得到較大的錠塊重量增益時(例如大于1時)，得到的是含有磨料級填料顆粒的α-氧化鋁為主的基質(zhì)組成的復(fù)合材料。
例4這些試驗(yàn)是觀察本發(fā)明中的基礎(chǔ)陶瓷多晶材料，向在處理條件下熱力學(xué)穩(wěn)定的或接近于穩(wěn)定的粒狀二元金屬氧化物組成的填料體中生長的效果。把摻合有硅和/或鎂摻雜劑的母體金屬鋁合金樣品包埋在325目鋁酸鎂尖晶石中，然后用例1中相同的方法進(jìn)行處理，但是，是在從1025℃到1500℃范圍內(nèi)的不同給定溫度下加熱94小時。圖4 A-4D得出的重量增益數(shù)據(jù)說明生長溫度范圍至少達(dá)到1500℃，示于圖4A-4D?，F(xiàn)在合金不含有故意摻合的鎂摻雜劑而明顯地形成了本發(fā)明的基礎(chǔ)陶瓷多晶基體材料，從而說明用鎂的氧化物(現(xiàn)在是Mg Al O)作外摻雜，而沒有這種摻雜劑作內(nèi)摻合的功效。換言之，填料也起了摻雜劑的作用。得到的復(fù)合物表明基質(zhì)是由生長的α-氧化鋁和未氧化的母體金屬成分，以及結(jié)合進(jìn)去的尖晶石填料粒子組成。
例5進(jìn)行這些另外的試驗(yàn)是觀察本發(fā)明的基礎(chǔ)陶瓷多晶材料向填料中生長的效果，碳化硅堅硬耐火，導(dǎo)電導(dǎo)熱，但在本發(fā)明的鋁母體金屬氧化的條件下不是熱力學(xué)穩(wěn)定的。把選好的用內(nèi)摻雜劑鎂和/或硅摻合了的鋁合金包埋在90目工業(yè)純度98%的Si C磨料顆粒(Norton Co.37 Crystolon)中，用和例1的同樣方法處理，但不同的是在給定爐溫下加熱48小時。得出的單位和錠塊重量增益數(shù)據(jù)都圖示在圖5A-5D之中。各圖中標(biāo)出的“區(qū)域2”是指在所用的最高溫度下由于Si C相的氧化產(chǎn)生的重量增益部分。另外，還指出了最佳生長溫度區(qū)間，實(shí)驗(yàn)還表明了在整個填料中分散摻雜劑的效果。這里的硅摻雜劑是用鋁去化學(xué)還原二氧化硅層得到的，在處理條件下該層復(fù)蓋著碳化硅顆粒。
為了確定本例中98%純度Si C填料制成的較大復(fù)合陶瓷體的特性，用例2所述的方法制成含有10%硅和3%鎂摻雜劑，大小為2×9×1/2吋的鋁合金樣品，放在適當(dāng)?shù)哪突鹑萜鲀?nèi)，用90目95%純度的氧化鋁耐火顆粒(El Alundum)將樣品的五個面包埋起來，用鋁箔把露著的2×9吋的表面隔開以免也被蓋住。在這露著的表面上蓋上一吋厚的一層90目98%純度的Si C磨料顆粒(Norton Co.37 Crystolon)。在5小時內(nèi)爐子達(dá)到給定溫度1300℃以后，把樣品在1300℃下處理60小時。加熱期之后再用5小時讓樣品冷卻到600℃以下，然后再從爐中取出。得到的單位重量增益是0.61而錠塊重量增益是1.14。觀察到的主要是向著碳化硅填料中生長的復(fù)合結(jié)構(gòu)的顯微照相，從圖可看到碳化硅顆粒，氧化鋁基質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和金屬成分。從粉碎的樣品取得了X射線衍射數(shù)據(jù)，它顯示是α-氧化鋁，碳化硅，鋁和硅相，如圖5F中所示。這種陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電的，即，用Simpson歐姆計用點(diǎn)探頭測量有很小的電阻，用上述斷裂模量試驗(yàn)測得斷裂強(qiáng)度是16，000磅/每平方吋。
用98%純度具有更細(xì)粒度，220目的Si C顆粒作為填料完成了和上述相似的另外的一些實(shí)驗(yàn)。比用90目碳化硅作填料，材料有更高的強(qiáng)度(23，000psi)。用90或220目顆粒作成的陶瓷復(fù)合材料的耐磨蝕性都顯著高于99.8%純度的氧化鋁片(Coors AD 998)，這是用上述的噴砂磨蝕試驗(yàn)測出的。下面特地把本發(fā)明的分別用90和220目碳化硅顆粒制造的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁作比照被試驗(yàn)的材料 90° 試驗(yàn) 30° 試驗(yàn)陷坑深度，寸90目 Si C 0.044 0.024220目 Si C 0.037 0.016標(biāo)準(zhǔn) 0.056 0.029(Coors AD 998)例6
為了確定本發(fā)明材料向含有較高純度的碳化硅磨料顆粒的空間中生長的效果，用99+%純度90目Si C(Norton Co.39 Crystolon)作為填料用例1中相同的方法完成實(shí)驗(yàn)。圖6A-6D繪出了這一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。可看出溫度區(qū)間低至接近825℃就有多晶基質(zhì)材料的生長，這一數(shù)據(jù)對于限制碳化硅在形成本發(fā)明的碳化硅-填充復(fù)合材料之前就被氧化為二氧化硅和二氧化碳這一傾向是有意義的。
各試驗(yàn)使用由粒度更細(xì)的(220和500目)99+%純度Si C磨料顆粒(Norton Co.39 Crystolon)組成的填料，本例中的多晶陶瓷基質(zhì)材料和上述一樣向填料中生長。測量從這些試驗(yàn)得出的材料，其斷裂模量有顯著的增加，其范圍從90目填料的12，000磅/每平方吋到220目填料的37，000磅/每平方吋，到500目填料的59，000磅/每平方吋。
還說明了向由90，220，和500目的99+%純度Si C顆粒的各種混合物組成的填料中生長的情況。這些混合物比單一粒度的填料有更大的裝填密度。
還說明了從含2.5%鎂摻雜劑，同時也約含1%(組合的)包括Fe，Cr，Si和Cu雜質(zhì)的商品5052鋁合金向這些不同的碳化硅填料中生長的本發(fā)明的陶瓷復(fù)合材料的情況。在72小時的爐循環(huán)中商品合金被氧化，并且向著550目99+%純度的Si C中生長，形成了陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)。得到的材料表現(xiàn)有54，000到62，000磅每平方吋的斷裂模量，硬度為84洛氏度(Rockwell-A標(biāo)度)，用下述的單邊開槽條(singleedge notched beam)斷裂韌度試驗(yàn)測得斷裂韌度為7.5百萬一帕斯卡一表度(Mega-Pascale-meter)。因之，鋁母體金屬合金中的各雜質(zhì)并不妨礙或根本上干擾使用的復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。得到的韌度值和傳統(tǒng)的碳化硅陶瓷復(fù)合材料相比，如硅/碳化硅復(fù)合物，其斷裂韌度一般約3-5百萬一帕斯卡一表度(Mega-Pascale-meter)高得多。
斷裂韌度試驗(yàn)是用本發(fā)明的陶瓷復(fù)合材料的矩形試驗(yàn)條進(jìn)行的，其寬度為0.118吋(“W”)，厚度為0.379吋(“d”)，在其下表面上有一高度“a”為0.036吋的等腰三角形槽口，槽口橫跨試驗(yàn)條的整個寬度。依據(jù)開槽的0.118吋寬的下表面把試驗(yàn)條定位，把0.118吋寬度表面作為底面而水平放置，使0.379吋的厚度方向直立。在試驗(yàn)條底面槽口相對的兩邊對等的位置上，用一對1/4吋直徑的鉆桿加一對朝上的力。受朝上的力作用的二個部位沿著試驗(yàn)條長度方向的距離為S1。在試驗(yàn)條的上表面與槽口位置相對的兩邊且對等的二點(diǎn)上加一對阻力以阻止向上的力。這對阻力點(diǎn)沿著長度方向的距離為S2，S2比S1小。則斷裂韌度(“FT”)由下式計算FT＝ (3F(S-S)a y)/(2Wd)其中F代表作用在試驗(yàn)條底面上兩點(diǎn)每個點(diǎn)的向上作用力，用磅為單位;a，W，d，S和S定義如上，而y是一個常數(shù)其值為y＝1.99-2.47a+12.97a-23.7a+24.8a其中a＝ (a)/(d)在已完成的各試驗(yàn)中，S取1.5吋，S取0.5吋，向上作用力F是用速度為0.002吋/每分鐘的十字頭施加的。用一臺Instron Model 1123試驗(yàn)機(jī)來完成斷裂模量和斷裂韌度二個試驗(yàn)。
還有一個實(shí)例是用由10%重量的硅和3%重量的鎂摻雜劑摻合到99.7%純度的鋁中作成鋁合金，相似地在1150℃，在90目99+%純度Si C中處理95小時。把生成的帶有碳化硅填料的鋁-基基質(zhì)復(fù)合材料切割成11cm長1.34cm寬0.45cm厚的條，在條上加25伏約25安培的電流令其自熱。用光學(xué)高溫計觀察，在約一分鐘內(nèi)便熱到1350℃，在3小時內(nèi)保持試驗(yàn)條中點(diǎn)在1350℃±20℃，而且從中點(diǎn)到整個11厘米長度的條上溫差也為±20℃。電阻加熱效應(yīng)說明了樣品條的電導(dǎo)率。整個試驗(yàn)條溫度的均勻性說明復(fù)合物有良好的均勻性，在三小時之內(nèi)能保持恒定(1350℃±20℃)能力說明了它的熱穩(wěn)定性。幾次快速加熱(從室溫到1350℃在約一分鐘內(nèi))再快速冷卻而不致使樣品破壞說明它有良好的抗熱沖擊性。
例7用大小為2×9×1/2吋的商品純1100鋁合金板作一樣品，涂上4克含氧化鎂的酪蛋白(casein slip)以對鋁母體金屬提供鎂摻雜劑。將板包埋在90目98%純度的碳化硅(Norton Co.37 Crystolon)中，由于復(fù)蓋在碳化硅顆粒上的二氧化硅層的化學(xué)還原將會得到硅摻雜劑。把樣品在1200℃的給定溫度下作72小時爐循環(huán)處理，另加起始5小時將爐子升到給定溫度，以及加熱期后的另外5小時將樣品冷卻600℃以便從爐中取出。樣品具有0.88的單位重量增益(對碳化硅材料的氧化未作校正)和1.48的錠塊重量增益。這就表明了通過對母體金屬的外摻雜從商品純1100鋁合金形成了本發(fā)明的鋁-基基體陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)。
例8為了確定本發(fā)明的鋁-基陶瓷基體材料向含金屬填料空間中的生長效果，用含75%鐵，20%鉻，和5%鋁(Kanthal Co.A-1合金絲)的商品合金絲繞五匝制成1吋高，1 1/4 吋直徑的線圈。將此線圈在1200℃在氧氣中氧化24小時使在其上生成一層氧化鋁的保護(hù)表層。用例1中所述的方法，制成一含7%硅和3%鎂摻雜劑的1吋直徑，7/8吋長的鋁合金錠塊，并將它和已氧化的線圈同心放置，相隔1/8吋一起包埋在90目99+%純度的氧化鋁顆粒(Norton Company，38 Aumdum)中。將此組合體在使?fàn)t溫達(dá)到給定溫度的起始六小時之后，在1200℃的給定溫度下處理96小時。再使樣品冷卻十小時之后，將其從爐中取出。得到的單位重量增益為0.74，錠塊重量增益為2.56。觀察樣品的橫切面，看出既有可鍛的金屬絲相同時還有其中捕獲了99+% α-氧化鋁顆粒材料的本發(fā)明的α-氧化鋁為基的陶瓷基質(zhì)的連結(jié)性復(fù)合物。這說明當(dāng)用惰性保護(hù)層把其它的不穩(wěn)定物質(zhì)或相，從處理環(huán)境中隔開時，本發(fā)明的方法和材料與固態(tài)活性填料之間的兼溶性。
例9為了確定本發(fā)明的材料向適當(dāng)?shù)奶盍现械亩S織物中生長成本發(fā)明的復(fù)合物的效果，用編織氧化鋁陶瓷纖維布(Du Pont Co.F P alumina)來進(jìn)行這些試驗(yàn)。本例中使用的母體金屬是含2.5%鎂和約1%(綜合總量)的其它金屬如鐵，鉻，硅和銅的商品鋁合金(Number 5052)。制造二塊2×9×1/2吋的樣品并把一塊放在另一塊上從而構(gòu)成一個2×9×1吋的母體金屬塊。樣品塊的上表面涂蓋一層由2～5克二氧化硅摻雜劑和聚乙烯醇粘合劑及水組成的混合物。把錠塊平放在一層90目的95%純度氧化鋁耐火顆粒(El Alundum)中，只留下涂過的上表面暴露著。把六層氧化鋁布鋪在此表面上，每層布的尺寸是3×10吋，用耐火磚碎塊固定布的四周邊使之松松地定位。把這個裝配體放入和例1一樣的爐中，在空氣中加熱到1125℃，180小時。圖8是生成的含纖維陶瓷復(fù)合材料的橫切面的照相，看出織布填料陷在由一部分相互聯(lián)接的α-氧化鋁基體和未氧化金屬組成的陶瓷基質(zhì)中。制造出了用其它材料包括氧化鋯布和一種以碳化硅為基的相似的嵌布復(fù)合材料。如果陶瓷纖維-基質(zhì)之間的界面結(jié)合不是很強(qiáng)，且母體金屬和氧化劑沒有侵襲纖維，那么這種復(fù)合物能夠潛在地具有織物所賦與的，和/或由于材料的韌性增加而導(dǎo)致的很高的二維-使用強(qiáng)度，此處所說的韌性增加是材料內(nèi)部裂紋缺陷和纖維拉斷機(jī)理的貢獻(xiàn)。
例10為了說明本發(fā)明的陶瓷復(fù)合物在低于空氣的氧化作用的氣氛中的形成，實(shí)驗(yàn)是在流經(jīng)熱水槽的惰性氣體中進(jìn)行的。在一個實(shí)例中，將含有其重量10%的硅和3%的鎂的母體金屬鋁加工成三英寸長，四分之一英寸厚，八分之三英寸寬的棒狀，并用純度99%的500目Si C(Norton39人造碳化硅)環(huán)繞在耐熱容器中。將其放入加熱爐中予熱到1200℃，為能進(jìn)入加熱區(qū)域要求予熱15分鐘。該樣品上部通過純度99.998%的氬氣，氬氣已流經(jīng)加熱到50℃的蒸餾水的槽。在這種情況下，水分用作氧化劑。大約20小時時之后將樣品從加熱爐取出，測得其單位重量增加為19%，得到了含有碳化硅顆粒的α-氧化鋁陶瓷基質(zhì)復(fù)合物。這表明本發(fā)明的陶瓷材料能夠在低于空氣的氧氣活性的氧化環(huán)境中形成。
例11為了說明陶瓷復(fù)合材料依附于氮化鋁基質(zhì)形成，準(zhǔn)備一個2英寸×1英寸×1/2英寸的380.1鋁(來自Belmont金屬公司)的錠塊。除了一個1×2英寸的面之外，這個錠塊由一層(大約1/8英寸厚)有機(jī)粘合的Al N顆粒復(fù)蓋所有表面。該合金的重量標(biāo)準(zhǔn)組成為8～8.5%的Si，2～3%的Zn和0.1%的活性摻雜劑Mg，以及3.5%的銅和鐵、錳和鎳，但有時鎂的含量高達(dá)0.17～0.18%。然后將涂好的錠塊放入在耐火坩堝中的24目α-氧化鋁的填料床中，未涂復(fù)的一面實(shí)際上也被填料浸沒。將上述體系在耐火爐中在成形氣體(96%氮?dú)夂?%氫氣)的氣氛里以1250℃的給定溫度加熱24小時。
氮化鋁基質(zhì)通過Al N顆粒的薄層生長進(jìn)入包含氧化鋁填料床的空間并形成連結(jié)成一體的氮化鋁/氧化鋁復(fù)合材料。在復(fù)合材料中氮化鋁基質(zhì)和氧化鋁填料的存在可被X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
上述樣品單位重量增加為0.41。鋁全部轉(zhuǎn)化為氮化鋁的理論單位重量增加為0.52。于是，在這個實(shí)驗(yàn)中取得了鋁向氮化鋁的良好轉(zhuǎn)化和復(fù)合體的良好生長。
例12
準(zhǔn)備兩種不同的填充材料，它們各自是以20∶80和50∶50的重量百分比率含有氮化鋁和氧化鋁粉末的混合物。兩種填料的篩目尺寸對氮化鋁和氧化鋁分別是-325和220。在每一種填料中嵌入工業(yè)用的380.1鋁合金的錠塊，該錠塊的尺寸是3/4英寸×1/2英寸×1/2英寸。將每一個組合在感應(yīng)爐中在成形氣體(96%氮?dú)夂?%氫氣)的氣氛里以1300℃給定溫度加熱36小時，成形氣體以100cc/min的連率流經(jīng)加熱爐。
從上述每個體系都觀察到氮化鋁向床填料中生長，從而在氮化鋁加上某些未反應(yīng)的母體金屬組分的基質(zhì)中形成一種氮化鋁和氧化鋁顆粒的連結(jié)復(fù)合體。X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氮化鋁和氧化鋁在得到的復(fù)合材料中的存在。上述樣品的單位重量增加列于下表12。
表12Al N基質(zhì)復(fù)合物的重量增加填料 單位重量增加20/80(Al N/Al O) .38550/50(Al N/Al O) .437這個例子進(jìn)一步說明用Al N-基質(zhì)生長的復(fù)合物。，同時還表明具有多相填料的復(fù)合物能夠按本發(fā)明的過程制得。
例13為了說明進(jìn)入含有填充材料的空間的氮化鋯的生長及因之而生成一種填料和氮化鋯基質(zhì)的復(fù)合物，將高度為3/4英寸、直徑為1/2英寸的鋯的圓柱體嵌入鋯的二硼化物粉末(-100+325粒度)填料床中。將該體系在感應(yīng)爐中在成形氣體(組成同例11)里以稍超過2000℃的給定溫度用直接接觸鋯的方法加熱15分鐘，氣體流速為400cc/min。
其結(jié)果生長進(jìn)入含有鋯的二硼化物填充材料的空間是鋯的氮化物，并因此獲得氮化鋯/鋯的二硼化物的連結(jié)為一體的復(fù)合材料。X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在得到的復(fù)合材料中氮化鋯和鋯的二硼化物的存在。
除了氮化鋯長入含有氮化鋯粉末(1～5μm的粒度)的空間，和作為氧化氣氛的成形氣體流速為200cc/min之外，重復(fù)上述過程。其結(jié)果是氮化鋯基質(zhì)長入氮化鋯填料，并因此獲得連結(jié)為一體的氮化鋯/氮化鋯復(fù)合材料。X-修飾粉末衍射證實(shí)了最終產(chǎn)物中氮化鋯組分的存在。
例14為了說明進(jìn)入含有填充材料的空間的氮化鈦的生長及因之產(chǎn)生填料與氮化鈦基質(zhì)的復(fù)合物，將高度為3/4英寸、直徑為1/2英寸的鈦的圓柱形錠塊嵌入氧化鋁填料床中(38鋁氧粉，90目)。將上述體系在感應(yīng)爐中在成形氣體(組成同例11)里以大約2000℃的給定溫度用直接接觸鈦的方法加熱2.5小時，氣體流速為400cc/min。
從上述體系觀察到進(jìn)入含氧化鋁空間的氮化鈦的生長，得到連結(jié)成一體的氮化鈦/氧化鋁復(fù)合材料。對上述復(fù)合材料進(jìn)行X-射線粉末衍射分析證實(shí)了氮化鈦，氧化鋁和微量金屬鈦的存在。
除了用鈦的氮化物粉末作為填料之外，重復(fù)上述過程。該反應(yīng)在稍超過2000℃的給錠溫度下進(jìn)行20分鐘。
上述過程產(chǎn)生連結(jié)的氮化鈦/氮化鈦復(fù)合材料。X-射線粉末衍射分析證實(shí)了復(fù)合物中氮化鈦成分的存在。
除了用鈦的二硼化物粉末代替作為填充材料和用純氮作為氧化氣氛之外，將上述過程再次重復(fù)。該反應(yīng)進(jìn)行10分鐘，氮?dú)饬魉贋?00cc/min。
X-射線粉末衍射分析證實(shí)所獲得的連結(jié)復(fù)合物由氮化鈦和鈦的二硼化物組成。
例15為了說明利用不同于例6的Al/Mg/Si合金的母體鋁合金生長進(jìn)入精細(xì)的碳化硅填料的α-氧化鋁陶瓷基質(zhì)，將19英寸×2英寸×1/2英寸的工業(yè)用380.1鋁合金片嵌入碳化硅填料床(Norton 39人造碳化硅，粒度500目)。將該體系在耐火爐中在空氣里加熱到1000℃的給定溫度75小時。
在這個體系中，進(jìn)入碳化硅的α-氧化鋁的生長，導(dǎo)致了在含有氧化鋁和微量未反應(yīng)的母體合金組分的基質(zhì)中含有碳化硅顆粒的連結(jié)復(fù)合材料的形成。
對所獲得的復(fù)合物進(jìn)行X-射線粉末衍射分析，證實(shí)了α-氧化鋁和碳化硅的存在。上述體系的單位重量增加為0.478，它表明進(jìn)入碳化硅填料的鋁母體實(shí)際上已氧化。
例16為了說明含有氧化鋯的復(fù)合填充材料的應(yīng)用，用本發(fā)明的方法使α-氧化鋁長入工業(yè)用Norton ZF Alundum，一種含氧化鋁和氧化鋯的研磨用顆粒材料的空間。在這個說明中，將一長1英寸直徑7/8英寸的工業(yè)用380.1鋁的圓柱形錠塊嵌入上述氧化鋁-氧化鋯填料床中。將該體系在耐火爐中，在空氣里加熱到1000℃的反應(yīng)給定溫度95個小時。
進(jìn)入氧化鋁-氧化鋯空間的α-氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長，導(dǎo)致了一種連結(jié)的α-氧化鋁/氧化鋯復(fù)合材料的形成，在該復(fù)合材料中，ZF材料被俘獲在按本發(fā)明的過程形成的α-氧化鋁基質(zhì)中。
對所獲得的復(fù)合材料進(jìn)行X-射線粉末衍射分析，證實(shí)了α-氧化鋁和氧化鋯的存在。上述體系的重量增加比率為0.32，它表明進(jìn)入氧化鋯/氧化鋁填料的鋁母體實(shí)質(zhì)上已氧化。
除了用氧化鋯粉末(Muscle Shoals，被氧化鈣所穩(wěn)定，-30目)代替上述填充材料之外，重復(fù)上述過程。進(jìn)入含氧化鋯空間的鋁錠塊實(shí)質(zhì)上發(fā)生氧化，產(chǎn)生連結(jié)為一體的α-氧化鋁/氧化鋯復(fù)合材料，同樣被X-射線粉末衍射分析證實(shí)。
例17為了說明進(jìn)入含氧化鋁顆粒(-75+100目)的空間的錫的氧化物基質(zhì)的生長，及由此產(chǎn)生一種二氧化錫/氧化鋁復(fù)合材料，將一高為2cm，直徑為3cm和圓柱體錠塊嵌入氧化鋁填料床中。將該體系在空氣中加熱到1100℃的設(shè)定溫度48小時。
錫被氧化并生長成進(jìn)入鋁填料的陶瓷基質(zhì)，導(dǎo)致了連結(jié)為一體的二氧化錫/氧化鋁復(fù)合材料的生成。X-射線粉末衍射分析證實(shí)了在所獲得的材料中二氧化錫和α-氧化鋁的存在。
與二氧化錫的理論重量增加0.27相比上述體系單位重量增加為0.28，因此可以說進(jìn)入α-氧化鋁的錫母體基本上完全氧化。
例18為了說明進(jìn)入氧化鋁“泡”(即空心氧化鋁體，Norton，E163 Alundum，4到28目)填充材料的α-氧化鋁基質(zhì)在不同反應(yīng)溫度下的生長，將長1英寸直徑7/8英寸的不同鋁合金圓柱體錠塊分別嵌入上述填充材料床中，有時表面摻雜。使這些合金在空氣中，在950～1250℃的給定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時間分別為48和80小時。上述體系的單位重量增加，按各自的反應(yīng)時間，分別列于表18(a)和18(b)。
表18(a)48小時的單位重量增加Al 合金 外部摻雜物 反應(yīng)溫度(℃)950 1050 1150 12502.5% Mg 140 磨料 Si O .01 - .58 .286% Zn+無 .63 .67 .70 .6510% Si3% Zn+無 .04 .12 .72 .747% Mg6% Zn Mg O粉末 .73 .70 .71 .71表18(b)80小時的單位重量增加
Al 合金 外部摻雜物 反應(yīng)溫度(℃)950 1050 1150 12502.5% Mg 140 磨料 Si O .02 .52 .66 .586% Zn+無 .63 .67 .68 .6310% Si3% Zn+無 .04 .26 .74 .727% Mg6% Zn Mg O粉末 .60 .72 .68 .7110% Si+無 .07 .71 .71 .753% Mg380.1 無 .65 .69 .69 .13表18(a)和18(b)的數(shù)據(jù)和樣品的檢驗(yàn)證實(shí)按本方法的過程形成復(fù)合物，并且每一復(fù)合物都具有α-氧化鋁基質(zhì)和氧化鋁泡狀填充材料。
例19為了說明含有氮化硅基質(zhì)的復(fù)合材料的形成，將10.70g純度98.4%的硅片浸沒在含有90%(重量)氮化鈦粉末(-325目)和10%(重量)金屬鈦(加入鈦是為了增加熔融硅浸潤)的填料中，把該體系在流速為600cc/min的成形氣體氣氛中加熱到1500℃的反應(yīng)溫度30分鐘。
X-射線粉末衍射分析和對按上述步驟取得的樣品的檢驗(yàn)證明氮化鈦填料的存在，氮化硅的形成和填料中的金屬鈦向氮化鈦的轉(zhuǎn)化。樣品的陶瓷圖形和X-射線能量分布分析表明具有氮化硅基的連結(jié)的復(fù)合材料的形成。
例20為了說明與碳化硅陶瓷纖維結(jié)合的α-氧化鋁基質(zhì)復(fù)合材料的形成，將兩根工業(yè)380.1鋁棒，每一根為9英寸×2英寸×1/2英寸，一個迭在另一個上面，并放入氧化鋁顆粒(El鋁氧粉，90目)的耐火填料床里，并使上面棒的9×2英寸的表面暴露，并且基本上陷入氧化鋁床。將一薄層碳化硅顆粒(Norton 39人造碳化硅，220目)施加于暴露的鋁表面，在這一層的上面再放入5層尼卡隆(Nicalon)碳化硅纖維布(Nippon碳公司制造)，它們各自被一薄層上述碳化硅顆粒隔開。將上述體系在空氣中加熱到1000℃的給定溫度75小時。
上述過程產(chǎn)生一種具有α-氧化鋁基質(zhì)的連結(jié)復(fù)合材料，該基質(zhì)交替地嵌入碳化硅顆粒層和碳化硅纖維布層，而且不影響纖維織物和所布置的排列。圖9是上例中產(chǎn)生的復(fù)合材料的顯微照相。
例21為了說明嵌入一種由鈦酸鋇顆粒構(gòu)成的填充材料的α-氧化鋁基質(zhì)的復(fù)合材料的形成，將工業(yè)用712鋁的圓柱體錠塊浸沒在耐火爐的Ba Ti O3顆粒填料床中，該錠塊高為1英寸直徑為7/8英寸，712鋁是熔入10%硅的合金。將錠塊、填料床和坩堝一起放進(jìn)耐火爐，在空氣中加熱到1100℃的給定溫度95小時。
上述體系的單位重量增加為0.71，它證明鋁錠塊基本轉(zhuǎn)化為α-氧化鋁基質(zhì)。對所獲得的復(fù)合材料進(jìn)行的X-射線粉末衍射分析說明了α-氧化鋁基質(zhì)，Ba Ti O3，硅，以及各種被氧化的和沒有被氧化的從712合金出來的組分的存在。
上述實(shí)例說明鈦酸鋇填充材料結(jié)合α-氧化鋁基質(zhì)，并因此產(chǎn)生一種連結(jié)的復(fù)合物。
雖然上面詳細(xì)地闡述的僅僅是本發(fā)明的幾個典型的具體實(shí)例，但是精通工藝的人很快就會體會本發(fā)明還有許多不同于舉例的變化。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)適用于或能加工成商業(yè)制品的自供陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)包含(1)一種由母體金屬氧化形成多晶物質(zhì)而得到陶瓷基質(zhì)，該多晶物質(zhì)實(shí)質(zhì)上是由(i)上述母體金屬與氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物和選擇性的(ii)一種或多種金屬組分構(gòu)成；(2)一種或多種被上述基質(zhì)嵌入的填料，本方法的步驟為(a)放置上述母體金屬與填料的可滲透實(shí)體相毗鄰，并且固定上述母體金屬和上述填料的相互方法，使上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成在朝著或進(jìn)入上述填料實(shí)體的方向出現(xiàn)；(b)將上述母體金屬加熱到高于其熔點(diǎn)而低于上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)的某一溫度，以形成母體金屬的熔融體；使熔融的母體金屬與上述氧化劑在上述溫度進(jìn)行反應(yīng)，以形成上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物，以及在上述溫度下保持至少部分上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物接觸并在上述母體金屬熔融體和氧化劑之間擴(kuò)展，使熔融金屬能夠通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物向氧化劑和向進(jìn)入鄰接的填料實(shí)體抽吸，這就使得在氧化劑和先前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的界面的填料物質(zhì)之中繼續(xù)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，并且將上述反應(yīng)繼續(xù)足夠長的一般時間以使至少一部分填料嵌入所述多晶材料之中。
2.權(quán)利要求
1的方法，其中母體金屬選擇于由鈦、鋯、硅和錫組成的系列。
3.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬包括鋁。
4.權(quán)利要求
1，2或3的方法，其中包括以至少一種摻雜劑摻加上述母體金屬。
5.權(quán)利要求
4的方法，其中上述摻雜劑選自由鎂、鋅、硅、鍺、錫、鉛、硼、鈉、鋰、鈣、磷、釔和稀土金屬所組成的系列中的一種或多種。
6.權(quán)利要求
1，2或3的方法，其中包括至少兩種摻雜劑的混合物摻加上述母體金屬。
7.權(quán)利要求
6的方法，其中上述摻雜劑由鎂和鋅中一種或兩種的源，加上硅、鉛、錫、鍺、鈉、鋰、鈣、硼、磷、釔和稀土金屬中的一種或多種源所組成。
8.權(quán)利要求
7的方法，其中上述母體金屬包括鋁，上述摻雜劑包括鎂源和硅源。
9.權(quán)利要求
4的方法，其中至少有一種摻雜劑熔進(jìn)該母體金屬。
10.權(quán)利要求
4的方法，其中至少有一種摻雜劑作為上述母體金屬表面的一層摻雜劑被施用，并且包括形成實(shí)際上超過所應(yīng)用的摻雜劑層厚度的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。
11.權(quán)利要求
4的方法，其中包括將至少一種摻雜劑摻入至少一部分上述填料。
12.權(quán)利要求
11的方法，其中包括將至少是第二種摻雜劑與上述母體金屬相熔或施用到上述母體金屬的表面，或者二者兼有。
13.權(quán)利要求
11的方法，其中上述母體金屬包括鋁。
14.權(quán)利要求
12或13的方法，其中上述摻雜劑由鎂鋅中的一種或兩種源，加上硅、鉛、鍺、鈉、鋰、鈣、硼、磷、釔和稀土金屬的一種或多種源所組成。
15.權(quán)利要求
1或5的方法，其中上述氧化劑選擇自由含氧氣體、含氮?dú)怏w，囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、蹄、H2/H2O混合物、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、丙烯和CO/CO2混合物，或者它們的化合物或混合物所組成的系列。
16.權(quán)利要求
4的方法其中上述氧化劑選擇自由含氧氣體、含氮?dú)怏w、囟素、硫、磷、砷、碳、硼、硒、蹄、H2/H2O混合物、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯丙烯和CO/CO2化合物，或者它們的化合物或混合物所組成的系列。
17.權(quán)利要求
12或13的方法，其中上述氧化劑是常壓空氣。
18.權(quán)利要求
4的方法，其中上述母體金屬是鋁，上述氣相氧化劑是空氣，上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是α-氧化鋁以及上述摻雜劑選擇自由鎂、鋅、硅、鉛、錫、鍺、鈉、鋰、鈣、硼、磷、釔和一種或多種稀土金屬及它們的混合物所組成的系列。
19.權(quán)利要求
1、5或6的方法，其中上述母體金屬是鋁、上述氣相氧化劑是含氮?dú)怏w及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鋁。
20.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬是鋯、上述氣相氧化劑是含氮?dú)怏w及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鋯。
21.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬是鈦、上述氣相氧化劑是含氮?dú)怏w及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鈦。
22.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬是錫，上述氧化劑是含氧氣體及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是錫的氧化物。
23.權(quán)利要求
1的方法，其中上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物選擇自由氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、或者氮氧化合物所組成的系列。
24.權(quán)利要求
3的方法，其中上述溫度是從大約850℃到1450℃，并且本方法包括以至少一種摻雜劑摻加上述母體金屬。
25.權(quán)利要求
24的方法，其中上述氣相氧化劑是空氣及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是α氧化鋁。
26.權(quán)利要求
1、2或3的方法，其中上述填料是在上述溫度下對上述氧化劑基本熱力學(xué)穩(wěn)定的物質(zhì)，或者是產(chǎn)自上述氧化反應(yīng)的物質(zhì)。
27.權(quán)利要求
1、2或3的方法，其中上述填料含有一種金屬的一種或多種單一的氧化物，這種金屬選擇自由鋁、鈰、鉿、鑭、釹、鐠、釤、鈧、釷、釔和鋯所組成的系列。
28.權(quán)利要求
1、2或3的方法，其中上述填料是二元的、三元的，或者更高數(shù)目的金屬氧化物。
29.權(quán)利要求
28的方法，其中上述金屬氧化物是鋁酸鎂尖晶石二元氧化物。
30.權(quán)利要求
1或3的方法，其中上述填料由碳纖維和碳顆粒中的一種或二者組成。
31.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬是鋁，上述氣相氧化劑是含氧氣體，及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氧化鋁。
32.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬是硅，上述氣相氧化劑是含碳化合物的氣體，及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是碳化硅。
33.權(quán)利要求
1的方法，其中上述母體金屬是硅，上述氣相氧化劑是含氮?dú)怏w，及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化硅。
34.權(quán)利要求
1、2或3的方法，其中上述填料包括選擇自由氧化鋁，碳化硅，硅鋁氧氮化合物，氧化鋯，硼化鋯，氮化鈦、鈦酸鋇，氮化硼，氮化硅，鐵-鉻合金，鋁，以及它們的混合物所組成的系列。
35.權(quán)利要求
34的方法，其中包括以至少一種摻加劑摻加上述母體金屬。
36.權(quán)利要求
1、2、3、18、19、20、21、22、23、24或25的方法，其中上述填料包括選擇自由空洞體、顆粒、粉末、纖維、晶須、泡體、球體、鋼化毛制品、薄板、聚集體、絲、棒、桿、薄片、壓丸、管、耐熱纖維織物，細(xì)管，或它們的混合體所組成的系列。
37.權(quán)利要求
3或6的方法，其中填料包括碳化硅，其溫度范圍的低端大約為850℃。
38.權(quán)利要求
34的方法，其中上述填料包括一種耐火纖維織物或碳纖維。
39.權(quán)利要求
4的方法，其中上述母體金屬是鋁及上述多晶物質(zhì)還包括尖晶石的原始表面，尖晶石是作為上述母體金屬、摻雜劑和氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物形成的。
40.一種由陶瓷基質(zhì)和結(jié)合在該基質(zhì)中的填料組成的，適用于或適于加工成商業(yè)制品的自身提供的陶瓷復(fù)合物，上述基質(zhì)含有基本上一相的多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物和金屬通道或空隙或兩者皆有，其特征是在氧化反應(yīng)產(chǎn)物微晶晶界處的晶格失配小于在那些具有面形金屬通道或面形空隙或兩者皆有的，相鄰的氧化反應(yīng)產(chǎn)物微晶之間的晶格失配，這些通道或空隙分布于上述相鄰的微晶之間。
41.權(quán)利要求
38的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中基本上所有上述晶界都具有大約小于5度的角度失配。
42.一種其中嵌入填料的陶瓷基質(zhì)組成的，適合用于或適合用于加工成商品制件的自身提供的陶瓷復(fù)合物，上述基質(zhì)含有基本上一相的微晶互相連接的多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物，它是在低于上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的溫度下在熔融金屬母體的氧化反應(yīng)中形成的，在上述復(fù)合物中含有較小體積的母體金屬或空穴或二者兼有，而其中在微晶和末被氧化的金屬之間和/或在微晶和空穴之間，弧形界面邊界實(shí)際上起主要作用。
43.一種其中嵌入填料的陶瓷基質(zhì)組成的，適合用于或適用于加工成商品制件的自身提供的陶瓷復(fù)合物，其中上述基質(zhì)是在熔融的母體金屬與氣相氧化劑的氧化反應(yīng)中形成的，它基本上是由多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物和選擇性的一種或多種金屬組分和/或空穴所組成，其特征在于本質(zhì)上是一相的互相連接的陶瓷基質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)，其中上述陶瓷骨架結(jié)構(gòu)的晶粒界面沒有其它相存在。
44.一種其中嵌入填料的陶瓷基質(zhì)組成的適合用于或者適用于加工成商品制件的自身提供的陶瓷復(fù)合物，該陶瓷基質(zhì)本質(zhì)上由單相多晶的，互相連結(jié)的、無機(jī)的、非金屬的骨架結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，其特征是骨架結(jié)構(gòu)晶粒界面處無任何其它相，且該基質(zhì)還含有由上述骨架結(jié)構(gòu)分散的金屬本身和/或空穴，這些金屬和/或空穴互相交連或者隔離，或者二者兼有。
45.一種其中嵌入填料的陶瓷基質(zhì)組成的，適用于或適用于加工成商品制件的自身提供的陶瓷復(fù)合物，上述基質(zhì)本質(zhì)上由單相的、多晶的，互相連接的、無機(jī)的、非金屬骨架結(jié)構(gòu)，以及包含的金屬本身和/或空穴所組成，金屬和/或空穴由骨架結(jié)構(gòu)分散成相互交連和/或隔離的狀態(tài)，并且在骨架結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出內(nèi)部顆粒斷裂的性質(zhì)。
46.權(quán)利要求
40、41、42、43、44或45的復(fù)合物，其中至少包括占體積1%的金屬。
47.權(quán)利要求
40、41、42、43、44或45的復(fù)合物，其中上述復(fù)合物含有一種或多種主要以互相連結(jié)的排列方式充分分散的金屬。
48.權(quán)利要求
40、41、42、43、44或45的復(fù)合物，其中上述復(fù)合物含有一種或多種以基本上非互相連結(jié)的包含物的形式充分分散的金屬。
49.權(quán)利要求
40、41、42、43、44或45的復(fù)合物，其中上述復(fù)合物含有至少占體積1%的或是主要以互相連結(jié)的排列，或是以基本上非互相連結(jié)的包含物的形式充分分散的空穴。
50.權(quán)利要求
40、41、42、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬的母體是鋁和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是α-氧化鋁。
51.權(quán)利要求
40、42、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬母體是鋁和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鋁。
52.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬母體是鈦和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鈦。
53.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬母體是硅和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是碳化硅。
54.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物選自由氧化物，氮化物、碳化物、硼化物和氮氧化物組成的系列。
55.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物選擇自由氧化鋁、碳化硅、鋁的氮氧化物、硼化鋯、氮化鈦、氮化硅、氮化鋯、硼化鈦、硼化硅、碳化鉿、硼化鉿、碳化鈦、氧化錫、氮化鋁和硼化鋁所組成的系列。
56.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬陶瓷是鋯和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化鋯。
57.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬母體是錫和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氧化錫。
58.權(quán)利要求
40、43、44或45的復(fù)合物，其中上述金屬母體是硅和上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氮化硅。
59.一種由占復(fù)合物總體積大約5%到98%的一種或多種填充材料和上述基質(zhì)所組成致密的、連結(jié)為一體的陶瓷復(fù)合物，該填料被包含在陶瓷基體之內(nèi)，該陶瓷基體含有占其總重量大約60%到99%的互相連接的氧化鋁和大約1%到40%的含鋁金屬組分，上述基質(zhì)含有小于其重量30%的鋁酸鎂尖晶石初始表面層。
60.權(quán)利要求
59的一種陶瓷復(fù)合物，其中上述填料選擇自由空洞體、顆粒、粉末、纖維、晶體、泡體、鋼化毛制品、薄板、聚集體、絲、棒、桿、薄片、壓丸、管、耐火纖維織物，細(xì)管或它們的混合物所組成的系列。
61.一種含有占復(fù)合物總體積大約5%到98%的一種或多種填充材料組成的致密的、連結(jié)為一體的陶瓷復(fù)合物，該填料包含在陶瓷基質(zhì)之內(nèi)，該陶瓷基質(zhì)含有占其總重量大約60%到99%的互相連接的氮化鋁和大約1%到40%的含鋁金屬組分。
62.權(quán)利要求
61的一種陶瓷復(fù)合物，其中上述填料選自由空洞體、顆粒、粉末、纖維、晶須、球體、泡體、鋼化毛品制品、薄板、聚集體、絲、棒、桿、薄片、壓丸、管、耐熱纖維織物、細(xì)管，或它們的混合體所組成的系列。
63.一種適用于或適用于加工成商品制件的復(fù)合物，它由(a)一種單相的、三維交連的陶瓷基質(zhì);(b)通過該基質(zhì)分散和/或延伸的一種或多種金屬組分和/或空穴;和(c)一種或多種嵌入該基質(zhì)的填料所組成，其中上述陶瓷基體是氮化物。
64.一種適用于或者適用于加工成商品制件的復(fù)合物，它由(a)一種一相的，三維交連的陶瓷基質(zhì);(b)通過該基質(zhì)分散和/或延伸的一種或多種金屬組分和/或空穴;和(c)一種或多種嵌入該基質(zhì)的填料所組成，其中上述陶瓷基質(zhì)選自由氮化鋁，氮化鋯，氮化鈦和氮化硅所組成的系列。
65.權(quán)利要求
63或64的復(fù)合物，其中上述填料由空洞體、顆粒、粉末、纖維、晶須、球體、泡體、鋼化毛制品、薄板、聚集體、絲、棒、桿、薄片、壓丸、管、耐熱纖維織物，細(xì)管或者它們的混合物所組成。
專利摘要
制造具有嵌入填料的自身提供陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，它包括以多晶物質(zhì)滲入填料的過程。該多晶物質(zhì)含有母體金屬(象鋁)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，并可能含有金屬組分。通過母體金屬與填料接觸并加熱使母體金屬熔化而提供金屬熔融體，使該熔融體保持與氣相氧化劑接觸，在一定的溫度，并在母體金屬內(nèi)部或其上選擇施加摻雜劑，熔融金屬將通過先形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行遷移，與氧化劑接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物生長，以便嵌入相鄰的填料而提供復(fù)合結(jié)構(gòu)。
文檔編號C04B35/74GK86101293SQ86101293
公開日1987年2月11日 申請日期1986年2月4日
發(fā)明者馬克·史蒂芬·紐基克, 哈利·R·茨威克, 恩德里·W·尤爾奎哈特 申請人:蘭克西敦公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan