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关于先进结构陶瓷了解多少呢

来源: 发布时间:2023-07-28 点击量:906

  结构陶瓷主要是指先进陶瓷中发挥其机械、热、化学等效能的一大类材料。由于它们具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷等一-系列优异性能,可以承受金属材料和有机高分子材料难以承受的苛刻工作环境,因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。结构陶瓷往往在高温下作为结构材料使用,因而常称为高温结构陶瓷或工程陶瓷,是先进陶瓷的重要生长点之一。

  按使用领域分类,结构陶瓷可分为:

  (1)机械陶瓷,主要利用其高硬度、高耐磨特性,如机械零件、轴。

  (2)热机陶瓷,又称发动机用陶瓷,主要利用其耐热、耐磨损及高强、高韧特性,如车用耐磨、轻量陶瓷部件、隔热、耐热部件、燃气轮机叶片、活塞顶、镶块等。

  (3)生物化工陶瓷,利用耐腐蚀特性以及与生物团接触化学稳定性好等特性如冶炼有色金属及稀有金属的塌、热交换器、生物陶瓷等。

  (4) 核陶瓷及其它,利用其特有的获和吸收中子特性,可作为各种核反应堆的结构材料使用,以及与人民日常生活相关的如陶瓷剪刀、无磁调试工具、高尔夫球杆以及陶瓷阀片及其组合件等。

  按组分分类,结构陶瓷又可分为:

  (1)氧化物陶瓷:如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化钙陶瓷、锗英石陶瓷等。

  (2)氮化物陶瓷:如氮化硅陶瓷、赛龙 (sialon)、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷等。

  (3)碳化物陶瓷:如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。

  (4)硼化物陶瓷,加硼化物陶瓷、硼化锆陶瓷等。

  由此可见,组成结构陶瓷的元素,如硅、硼、碳、氧、氮、铝均为地壳中含量最多的,这也是结构陶瓷用作发动机部件和取代镍、锆、铬等战略金属而显示其生命力的地方。

  结构陶瓷在国民经济中的地位和作用

  与其它新材料一样,结构陶瓷已成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础,也是发展现代军事技术和生物医学所不可缺少的材料。其主要作用有以下几个方面。

  (1)对科学技术发展的作用 空间技术中宇飞船所需的热防护系统要求能承受高温和温度急变、隔热性好、强度高、质量轻、使用寿命长,在这方面,结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船起即开始使用的耐高温与低温的隔热瓦。发射和回收人造地球卫星用的碳-石英复合烧蚀材料等均为结构陶瓷。未来空间技术的发展将更依赖于新型结构材料的应用,要求其使用温度高、比强度大,在这方面结构陶瓷,尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其它材料,并正在迅速发展中。

  (2)对建立发展高新产业的作用通信工业是目前发为的新技术产业之一,它形成于 20 世纪 80 年代,全世界年产值已超过30 多亿美元。其发展如此迅速,主要依赖于光纤损耗机理的研究以及光纤接头处结构材料的使用以微电子技术为基础的电子工业,随半导体器件的高密度化和大功率化,单位面积的发热量也愈来愈大。以高密度组装的大规模集成电路为例,在一块1的基板上,容纳100个晶体管,而每个晶体管耗电1mW,则10cm的基板就耗电1000W所以散热是一大问题。80 年代中后期研制成的高导热性的化 (AIN)碳化硅(SiC-101)基板材料,将逐步取代氧化铝基板。

  结构陶瓷传统上被认为是脆性的,不耐冲击,不宜作机械部件,这些缺点,经过近一二十年研究,已经有了显著的改进。现已形成包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化钻、氧化铝增韧系统的高温结构陶瓷及陶瓷基复合材料的两大系列的结构陶瓷,并作为热机部件、切削刀具、耐磨损面腐蚀部件进入机械工业、汽车工业、化学工业、造纸工业、纺织工业等传统工业领域,推动产品更新换代。

  高温结构陶瓷在热机上的应用是 20 世纪 80 年代初中期兴起的陶瓷热的焦点。高温燃气轮机的热效率和比功率随运行温度的升高而提高。此外,陶瓷部件还可降低热机重量、减少摩擦、耐磨损、耐腐蚀,有利于减少燃料消耗,提高使用寿命。至今虽然已有电热塞、涡流室镶块、涡轮增压器转子、排气管内村等部件产业化,但陶瓷热机仍处在研究发展阶段,不仅要提高材料的韧性和强度,而且还须保证长期反复使用的重复性、可靠性以及在成本效益上具有竞争力。

  回收废热的高温热交换器是高温结构陶瓷具有特色的一个重要应用。通常,金属热交换器的工作温度只可使用在 1100℃,燃料节省率仅为 20%~30%;而陶瓷热交换部件,如碳化硅工作温度可提高至 1370℃,燃料节省率高达 50%。陶瓷耐腐蚀、耐磨损,也可以用于合硫量高的腐蚀性环境。总之,在热交换器这个领域中,结构陶瓷应用前景诱人,至今已在炼钢工业以及其它金属冶炼工业中使用。

  高性能陶瓷刀具是首先商品化的一种结构陶瓷。由于美国成功用于高速切削寿命延长而提高生产率,每年节约成本达 12 亿美元,预计到 2005 达 80 亿美元用于机械、化工等方面的耐磨损、耐腐蚀部件,例如密封环、轴承、喷嘴、内衬等也是结构陶瓷应用的主要领域。此外,结构陶瓷用作金属热挤压模也显示其优越性。例如,用部分稳定氧化错制成的挤压模较之碳化物挤压模能使使用寿命提高350%,生产效率提高 300%,而成本下降50%。

  (3)在节约资源和节能方面的作用能源是国家的命脉,节约资源和节能21 世纪人类面临的两大问题之一,在这方面,高性能结构陶瓷正在发挥日益重要的作用。使用先进陶瓷热交换器,例如碳化硅热交换器工作温度可在 1100C以上,与传统的金属热交换相比可降低燃料消耗 40%~50%;陶瓷发动机将可节约燃料10%~20%。目前正努力将先进结构陶瓷部件用于发电用的燃气轮机的转子、定子和燃烧室等部位,以求取得更大的节能效果。

  (4)在固国防、发用面的用工业、用来新料、新技术的主要推动者和相应用者。在 20 世纪 80 年代末的海湾战争中,多国部队获胜的一个重要因素就是高技术武器装备的大量广泛应用。在武器和军用技术的发展方面,高性能结构陶瓷占有举足轻重的作用,往往成为发展军用技术的支撑材料和先导材料。在无机结构材料方面,马赫数大于 2 超音速飞机,其成败将取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和陶瓷纤维补强的陶瓷基复合材料的研制成功和应用。为此美国国防部从 20 世纪 70 年代末起迅速增加陶瓷基复合材料研究发展经费,使其在全部复合材料研究发展经费中所占的比例从以往的 6%猛增至近几年的42%。以氧化铝陶瓷为代表的陶瓷装甲可以抵御穿甲弹的破坏,在美国已用于装备直升机,现正扩展至军用车辆和制成防弹衣;另外,各种导弹和飞船用的端头帽如具有中国特色的碳-石英抗烧蚀用端头帽是最为成功使用的陶瓷基复合材料之一。

  (5) 在生物医学方面的地位和作用 用于生物医学方面的结构陶瓷通常称之为生物陶瓷。一方面须满足相应人体组织或器官功能的要求,另一方面又须与周围组织的生理、生化特征相容。碳、氧化铝、烃基磷酸钙及其复合材料已应用于牙齿种植、人工膝关节等。日本精细陶瓷联合调查委员会曾预测,20 世纪90 年代以后日本生物陶瓷市场年增长率为 36%,居各种无机材料之首。这是因为随着人们生活质量提高,对生物陶瓷的需求将日益增加的缘故。值得注意的是,生物陶瓷另一类很重要的应用是用作药物载体,或具有某种治疗功能的材料,这是 20 世纪 80 年代出现的新型药物缓释系统载体,并已在临床研究中试用。

  近年来,全球对于高精密度、高耐磨耗、高可靠度的微小机械零组件或电子元件的要求日渐殷切,陶瓷产品的需求因而相当受到重视。结构陶瓷主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料,它可以在许多苛刻的工作环境下服役,因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。


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