高温结构陶瓷的研究与应用

高温结构陶瓷的研究与应用xx1，xx21xx材料学院xx班xx号2xx材料学院xx班xx号摘要：本文综述了高温结构陶瓷材料的性能、分类与用途。并着重介绍了氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、增韧氧化物与纤维补强陶瓷复合材料的特性与开发现状。介绍了这几种高温结构陶瓷的应用，和目前被比较广泛使用的几种制备工艺。通过对这些材料的研究，展望这些材料的发展情况。关键词：高温结构陶瓷；特性；应用1.引言高温结构陶瓷是一类重要的无机非金属材料,它包括氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、增韧氧化物陶瓷和纤维补强无机复合材料，具有在高温下强度和硬度高姗变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优越性能。作为高温结构应用,无机非金属新材料具有明显的优越性。高温结构陶瓷不但性能好,而且比重小,在空间科学和军事技术的许多场合,它往往是唯一可用的材料。高温结构陶瓷将有十分广泛的应用,从高速切削刀具、高温气体交换器到汽车、坦克和飞机的发动机与燃气轮机、磁流体发电的导管、核聚变反应堆内壁、火箭和导弹的喷管喉部与端头,以及航天飞机外层的绝热瓦等，制作材料无不首推高温结构陶瓷，所以高温结构陶瓷在现在有着广泛的发展空间。2、高温结构陶瓷种类、相应的特性及研究进展2.1氮化硅陶瓷氮化硅是国外从五十年代中期发展起来的一类极为重要的非氧化物高温结构陶瓷。氮化硅的力学和热学性能明显优于一般氧化物陶瓷,它受到各国陶瓷科学家的注意。纷纷展开研制这种的新型陶瓷材料。氮化硅是一种共价键化合物,很难进行烧结。除直接由硅和氮结合的反应烧结氮化硅外,一般都要添加其他化合物,使之与氮化硅反应生成液相以促进烧结,否则就不能制成致密的材料。这些残留在氮化硅陶瓷内的玻璃相到高温时会软化,从而影响其高温性能。氮化硅陶瓷在运行温度较低的柴油机和其他发动机的使用情况则很好。氮化硅陶瓷在热机及汽车工业上巳有许多重要应用,前景美好。利用氮化硅的高强度、耐磨损、耐腐蚀性能,还可在热机以外的领域得到许多应用。在机械工业上,氮化硅陶瓷可用作切削工具、滚珠轴承和密封磨环。在冶金工业上可用于制造铝合金浇铸模具、泵、阀门、管道等以及测量铝液温度的热电偶套管。在生物医学工程上,可用来制造人工关节和人造骨等。2.2碳化硅陶瓷碳化硅是除氮化硅外的另一类重要的非氧化物高温结构陶瓷。与氮化硅相比,碳化硅陶瓷的室温强度稍低,但其强度随温度的上升降低很少,并可一直保持到1600一1700℃。碳化硅的蠕变小、抗氧化性好、耐磨损、耐腐蚀性能均优于氮化硅陶瓷。但碳化硅的热导串高,断裂韧性小。碳化硅陶瓷适合于制作燃气轮机热流通道部件,尤其是需要有良好导热性的如热交换器等。碳化硅与氮化硅陶瓷各有所长,不能相互取代。在未来的热机中,将会同时采用多种高温结构陶瓷,而不是单一的某种陶瓷。除热机外,碳化硅陶瓷还有重要应用。利用其耐磨性,可以制作多种能在恶劣环境下使用的机械泵密封环。利用导热性,可以制成多种热交换器,用于太阳能电站中收集热能,或用于热机及工业窑炉中回收废热。例如有一种开槽锻炉,采用碳化硅热交换器后在1300℃运行,嫩料消耗可减少42%，在碳化硅中添加2%氧化镀后制成的陶瓷,既有很好的导热性同时又是绝缘的,因而这种碳化硅陶瓷可用作大规模集成电路的基板,解决因集成度愈来愈高而产生的散热问题。此外,利用碳化硅耐放射性元素辐照的特性,还可以制成核燃料包封材料、核聚变反应护的第一壁材料等。2.3增韧氧化陶瓷增韧氧化物是国外近十年来才研制成的一类高温结构陶瓷,但发展十分迅猛,这类陶瓷含有一定数量的细分散相变物质,当受到外力作用时,这些细分散物质会发生相变而吸收能量,使裂纹扩展减慢或中止,从而大幅度提高材料的韧性。目前最常用的相变物质是氧化锆。氧化锆增韧氧化锆陶瓷又称为部分稳定氧化锆（PSZ）。氧化锆由于从四方相转变到单斜相时要产生4%的体积变化,不能制成没有缺陷的纯氧化锆材料,一般都要添加碱土金属氧化物或稀土元素氧化物,使之与氧化错生成稳定的立方相固溶体,就可以不发生相变而做成有用的材料,即稳定的氧化锆。如果添加的碱土金属或稀土金属氧化物的数量不足以使全部氧化锆都生成稳定的立方相,而只能使一部分氧化锆稳定,另一部分以四方相的形式存在,这种材料就叫作部分稳定氧化锆。这种陶瓷受到外力作用时,那部分未稳定的四方相氧化锆会产生相变而起增韧作用,使材料的强度和韧性成倍地提高。除了常温下使用外,部分稳定氧化锆巳成为绝热柴油机主要的候选材料。氧化铬陶瓷的导热系数比氮化硅低五分之四,膨胀曲线与铸铁和铝接近,用这种陶瓷制成的部件,与其他金属部件连接较简单,热导率低则可达到更好的绝热效果,因此是制作绝热柴油机活塞顶、气缸套和气缸盖的好材料。2.4纤维补强陶瓷复合材料纤维补强陶瓷复合材料是一类以陶瓷为基体、以高强度高模最纤维补强而制成的无机复合材料。这类材料最大的特点是,当受到外力作用时,陶瓷基体中的纤维能够分担外加负荷,不致于一下子集中到裂纹的尖端上。同时,裂纹在这类材料中扩展而碰到纤维时,要把纤维折断或从基体中拨出才能继续前进,从而消耗很大的能童,使裂纹很难扩展。因此,纤维补强陶瓷复合材料的韧性要比一般陶瓷高几个数量级,可以承受剧烈的机械振动和温度激变。作为大热流、短时间和1500℃以上高温下的使用,纤维补强陶瓷复合材料巳成功地用作洲际导弹的端头帽、回收人造卫星前缘、各种火箭发动机尾喷管喉衬和航天飞机的防热瓦。在这方面的应用上,几乎没有其他材料可以取代。近年来,日、法、美等国还在致力于研究能在各种新型发动机中使用的纤维补强陶瓷复合材料,要求能在空气中1200℃以上的高温下运行几千小时。由于缺乏能在空气中长期使用而高温性能又不衰退的纤维,这方面工作进展还不大。3.高温结构陶瓷制造工艺研究进展3.1氮化硅陶瓷一种非氧化物陶瓷以四氮化三硅为主要成分。具有高强度、高弹性模量、耐磨、耐蚀、抗氧化等优良性能。莫氏硬度9。Si3N4是共价键化合物，属六方晶系，存在α型和β型两种晶型。Si-N间的键合强度高，为难烧结物质。氮化硅粉通常由硅粉氮化法获得。采用反应烧结、热压烧结、高温高压氮气氛烧结、热等静压烧结等方法将氮化硅粉烧结制得。氮化硅陶瓷性能与其制备方法密切相关，一般室温强度可达700～1000MPa，高温强度受晶界玻璃相影响。氮化硅陶瓷的优异性能使其在许多领域得到应用并有许多潜在的用途。在陶瓷发动机中，用来制备定子、转子、蜗形管等部件。在冶金、化学、机械、电子和军事工业上也有广泛的应用。3.2碳化硅陶瓷反应烧结SiC是利用含C粉和SiC粉成型体与气相或液相Si在高温下反应得到SiC的烧结体。其烧结过程不需要添加任何烧结助剂，晶粒中缺陷少，晶界纯度高，对材料的热导性能影响小。原料中的C与外部的反应，一方面可以生成SiC，另一方面引起致密化作用，反应烧结后烧结体内的气孔进一步由Si填充，得到致密且收缩极小的烧结体，可应用于SiC电子陶瓷领域]。自20世纪5O年代利用反应熔渗烧结法制备SiC陶瓷以来，为了减少材料的结构缺陷并提高材料的性能，研究者通过不断改进成型方式和改善工艺，提高反应烧结的性能。刘红等_j将熔融态的Si通过毛细作用渗入坯体中与碳粉反应，新生成的SiC将原来的SiC晶须和SiC结合在一起，得到致密度高、缺陷少、弯曲强度为243MPa、断裂韧性值为6．43MPa。、热导率为125．3w／(m·K)的SiC／SiC复合材料。其与反应烧结的SiC(RB-SiC)陶瓷的性能列于表1。目前，反应烧结SiC陶瓷制品主要有英国的UKAEA的Refel-SiC和美国Carborundun公司的KT-SiC。国内在山东有数家厂家采用反应烧结制备SiC陶瓷，生产工艺成熟，产品性能稳定。3.3增韧氧化陶瓷注射成型最早应用于塑料制品的成型和金属模的成型。此工艺是利用热塑性有机物低温固化或热固性有机物高温固化，将粉料与有机载体在专用的混练设备中混练，然后在高压下（几十到上百MPa）注入模具成型。由于成型压力大，得到的坯体尺寸精确，光洁度高，结构致密；采用专门的成型装备，使生产效率大大提高。上世纪七十年代末八十年代初开始将注射成型工艺应用于陶瓷零部件的成型，该工艺通过添加大量有机物来实现瘠性物料的塑性成型，是陶瓷可塑成型工艺中最普遍的一种。在注射成型技术中，除了使用热塑性有机物（如聚乙烯、聚苯乙烯），热固性有机物（如环氧树脂、酚醛树脂），或者水溶性的聚合物作为主要的粘结剂以外，还必须加入一定数量的增塑剂、润滑剂和偶联剂等工艺助剂，以改善陶瓷注射悬浮体的流动性，并保证注射成型坯体的质量。注射成型工艺具有自动化程度高、成型坯体尺寸精密等优点。但注射成型陶瓷部件的生坯中有机物含量多达50vol％，在后续烧结过程要排除这些有机物需要很长时间，甚至长达几天到数十天，而且容易造成质量缺陷。因此，排胶始终是制约其应用的一个关键环节，至今尚未完全突破。2.4纤维补强陶瓷复合材料浆料浸渍——热压法：这种方法是最早用于制备CFCC的方法,也是制备低熔点陶瓷基复合材料的传统方法。工艺要点如下:将纤维束连续通过含有粘结剂的泥浆中,将浸有浆料的纤维缠绕于滚筒上,制成无纬布,经切片、叠加、热模压成形和热压烧结制备出CFCC。泥浆浸渗/热压法工艺过程如图所示泥浆一般由液体介质、基体粉末和有机粘结剂组成,在热压过程中,随着粘结剂的挥发、逸出,将发生基体颗粒的重新分布、烧结和粘结流动等过程,从而获得致密的复合材料。虽然此法在制造玻璃及玻璃陶瓷基复合材料方面取得了较好的效果,但是泥浆浸渗/热压法存在以下不足而使其应用范围受到限制:只能制得一维或二维纤维强化复合材料,制造三维材料时,因热压使纤维骨架受到损伤;由于工艺的局限,难以制得形状复杂的大型构件。4.结束语高温结构陶瓷的研究和发展，与金属材料相比。毕竟还比较年轻，无论是材料开发，还是理论研究还很不深入和成熟．应用范围还很局部。但是从近几年的迅速发展来看。它隐含着极大的潜在力量，世界各国都给以极大的关注，并投入巨额经费以加速这方面的研究。我们在这些材料的特性中也可以看到这种材料的用途是十分的广泛，应用的地方也是特别的高端的，不仅适用于航空航天材料，而且在核反应堆工程，电气电子工业、光学、医学等领域．都可望得到广泛的应用．这种材料不限于金属与陶瓷的复合，还可以是与塑料的复合，将来一定会对社会的发展作出重大贡献。参考文献[1]金志浩，周敬恩，工程陶瓷材科，机槭工业出敷社，1986年．[2]严东生，材料科学与工程，7(1989)1．[3]加藤昭夫，山口桥，新陶瓷粉体(1983)(日)[3]樱井良文，小泉光惠等编,陈俊彦、王余君译新型陶瓷一一材料及其应用中国建筑工业出版社,1983:3[4]钱钧,“高性能陶觉材料的发展趋势”,1989[5]“高性能陶党研究现状及应用前景”座谈会记要,2008[6]樱井良文、小泉光惠等编,陈俊彦、王余君译新型陶瓷一一材料及其应用中国建筑工业出版社,1986;5(5):23