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        關于先進結構陶瓷了解多少呢

        來源: 發布時間:2023-07-28 點擊量:499

          結構陶瓷主要是指先進陶瓷中發揮其機械、熱、化學等效能的一大類材料。由于它們具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐沖刷等一-系列優異性能,可以承受金屬材料和有機高分子材料難以承受的苛刻工作環境,因而成為許多新興科學技術得以實現的關鍵。結構陶瓷往往在高溫下作為結構材料使用,因而常稱為高溫結構陶瓷或工程陶瓷,是先進陶瓷的重要生長點之一。

          按使用領域分類,結構陶瓷可分為:

          (1)機械陶瓷,主要利用其高硬度、高耐磨特性,如機械零件、軸。

          (2)熱機陶瓷,又稱發動機用陶瓷,主要利用其耐熱、耐磨損及高強、高韌特性,如車用耐磨、輕量陶瓷部件、隔熱、耐熱部件、燃氣輪機葉片、活塞頂、鑲塊等。

          (3)生物化工陶瓷,利用耐腐蝕特性以及與生物團接觸化學穩定性好等特性如冶煉有色金屬及稀有金屬的塌、熱交換器、生物陶瓷等。

          (4) 核陶瓷及其它,利用其特有的獲和吸收中子特性,可作為各種核反應堆的結構材料使用,以及與人民日常生活相關的如陶瓷剪刀、無磁調試工具、高爾夫球桿以及陶瓷閥片及其組合件等。

          按組分分類,結構陶瓷又可分為:

          (1)氧化物陶瓷:如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、莫來石陶瓷、氧化鈣陶瓷、鍺英石陶瓷等。

          (2)氮化物陶瓷:如氮化硅陶瓷、賽龍 (sialon)、氮化鋁陶瓷、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、硼化鋯陶瓷等。

          由此可見,組成結構陶瓷的元素,如硅、硼、碳、氧、氮、鋁均為地殼中含量最多的,這也是結構陶瓷用作發動機部件和取代鎳、鋯、鉻等戰略金屬而顯示其生命力的地方。

          結構陶瓷在國民經濟中的地位和作用

          與其它新材料一樣,結構陶瓷已成為現代高新技術、新興產業和傳統工業技術改造的物質基礎,也是發展現代軍事技術和生物醫學所不可缺少的材料。其主要作用有以下幾個方面。

          (1)對科學技術發展的作用 空間技術中宇飛船所需的熱防護系統要求能承受高溫和溫度急變、隔熱性好、強度高、質量輕、使用壽命長,在這方面,結構陶瓷占有絕對優勢。從第一艘宇宙飛船起即開始使用的耐高溫與低溫的隔熱瓦。發射和回收人造地球衛星用的碳-石英復合燒蝕材料等均為結構陶瓷。未來空間技術的發展將更依賴于新型結構材料的應用,要求其使用溫度高、比強度大,在這方面結構陶瓷,尤其是陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料遠遠優于其它材料,并正在迅速發展中。

          (2)對建立發展高新產業的作用通信工業是目前發為的新技術產業之一,它形成于 20 世紀 80 年代,全世界年產值已超過30 多億美元。其發展如此迅速,主要依賴于光纖損耗機理的研究以及光纖接頭處結構材料的使用以微電子技術為基礎的電子工業,隨半導體器件的高密度化和大功率化,單位面積的發熱量也愈來愈大。以高密度組裝的大規模集成電路為例,在一塊1的基板上,容納100個晶體管,而每個晶體管耗電1mW,則10cm的基板就耗電1000W所以散熱是一大問題。80 年代中后期研制成的高導熱性的化 (AIN)碳化硅(SiC-101)基板材料,將逐步取代氧化鋁基板。

          結構陶瓷傳統上被認為是脆性的,不耐沖擊,不宜作機械部件,這些缺點,經過近一二十年研究,已經有了顯著的改進?,F已形成包括氮化硅系統、碳化硅系統和氧化鉆、氧化鋁增韌系統的高溫結構陶瓷及陶瓷基復合材料的兩大系列的結構陶瓷,并作為熱機部件、切削刀具、耐磨損面腐蝕部件進入機械工業、汽車工業、化學工業、造紙工業、紡織工業等傳統工業領域,推動產品更新換代。

          高溫結構陶瓷在熱機上的應用是 20 世紀 80 年代初中期興起的陶瓷熱的焦點。高溫燃氣輪機的熱效率和比功率隨運行溫度的升高而提高。此外,陶瓷部件還可降低熱機重量、減少摩擦、耐磨損、耐腐蝕,有利于減少燃料消耗,提高使用壽命。至今雖然已有電熱塞、渦流室鑲塊、渦輪增壓器轉子、排氣管內村等部件產業化,但陶瓷熱機仍處在研究發展階段,不僅要提高材料的韌性和強度,而且還須保證長期反復使用的重復性、可靠性以及在成本效益上具有競爭力。

          回收廢熱的高溫熱交換器是高溫結構陶瓷具有特色的一個重要應用。通常,金屬熱交換器的工作溫度只可使用在 1100℃,燃料節省率僅為 20%~30%;而陶瓷熱交換部件,如碳化硅工作溫度可提高至 1370℃,燃料節省率高達 50%。陶瓷耐腐蝕、耐磨損,也可以用于合硫量高的腐蝕性環境??傊?,在熱交換器這個領域中,結構陶瓷應用前景誘人,至今已在煉鋼工業以及其它金屬冶煉工業中使用。

          高性能陶瓷刀具是首先商品化的一種結構陶瓷。由于美國成功用于高速切削壽命延長而提高生產率,每年節約成本達 12 億美元,預計到 2005 達 80 億美元用于機械、化工等方面的耐磨損、耐腐蝕部件,例如密封環、軸承、噴嘴、內襯等也是結構陶瓷應用的主要領域。此外,結構陶瓷用作金屬熱擠壓模也顯示其優越性。例如,用部分穩定氧化錯制成的擠壓模較之碳化物擠壓模能使使用壽命提高350%,生產效率提高 300%,而成本下降50%。

          (3)在節約資源和節能方面的作用能源是國家的命脈,節約資源和節能21 世紀人類面臨的兩大問題之一,在這方面,高性能結構陶瓷正在發揮日益重要的作用。使用先進陶瓷熱交換器,例如碳化硅熱交換器工作溫度可在 1100C以上,與傳統的金屬熱交換相比可降低燃料消耗 40%~50%;陶瓷發動機將可節約燃料10%~20%。目前正努力將先進結構陶瓷部件用于發電用的燃氣輪機的轉子、定子和燃燒室等部位,以求取得更大的節能效果。

          (4)在固國防、發用面的用工業、用來新料、新技術的主要推動者和相應用者。在 20 世紀 80 年代末的海灣戰爭中,多國部隊獲勝的一個重要因素就是高技術武器裝備的大量廣泛應用。在武器和軍用技術的發展方面,高性能結構陶瓷占有舉足輕重的作用,往往成為發展軍用技術的支撐材料和先導材料。在無機結構材料方面,馬赫數大于 2 超音速飛機,其成敗將取決于具有高韌性和高可靠性的結構陶瓷和陶瓷纖維補強的陶瓷基復合材料的研制成功和應用。為此美國國防部從 20 世紀 70 年代末起迅速增加陶瓷基復合材料研究發展經費,使其在全部復合材料研究發展經費中所占的比例從以往的 6%猛增至近幾年的42%。以氧化鋁陶瓷為代表的陶瓷裝甲可以抵御穿甲彈的破壞,在美國已用于裝備直升機,現正擴展至軍用車輛和制成防彈衣;另外,各種導彈和飛船用的端頭帽如具有中國特色的碳-石英抗燒蝕用端頭帽是最為成功使用的陶瓷基復合材料之一。

          (5) 在生物醫學方面的地位和作用 用于生物醫學方面的結構陶瓷通常稱之為生物陶瓷。一方面須滿足相應人體組織或器官功能的要求,另一方面又須與周圍組織的生理、生化特征相容。碳、氧化鋁、烴基磷酸鈣及其復合材料已應用于牙齒種植、人工膝關節等。日本精細陶瓷聯合調查委員會曾預測,20 世紀90 年代以后日本生物陶瓷市場年增長率為 36%,居各種無機材料之首。這是因為隨著人們生活質量提高,對生物陶瓷的需求將日益增加的緣故。值得注意的是,生物陶瓷另一類很重要的應用是用作藥物載體,或具有某種治療功能的材料,這是 20 世紀 80 年代出現的新型藥物緩釋系統載體,并已在臨床研究中試用。

          近年來,全球對于高精密度、高耐磨耗、高可靠度的微小機械零組件或電子元件的要求日漸殷切,陶瓷產品的需求因而相當受到重視。結構陶瓷主要是指發揮其機械、熱、化學等性能的一大類新型陶瓷材料,它可以在許多苛刻的工作環境下服役,因而成為許多新興科學技術得以實現的關鍵。


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