氮化硅陶瓷和碳纤维在航天航空领域的应用

氮化硅陶瓷和碳纤维在航天航空领域的应用一．氮化硅陶瓷的应用目前，氮化硅已经广泛应用于航空航天领域。美国通用电气公司在2005年大量生产的新一代空中客车发动机引擎中，主要采用了氮化硅原料。大飞机发动机运转时产生的高温达16000(2，目前主要使用了镍基耐高温材料。我国计划到2020年，用氮化硅陶瓷材料代替金属材料。中国航空工业集团北京航空材料研究院工程师李宏伟介绍，国际航空航天领域大量使用氮化硅做陶瓷发动机。北京航空航天大学教授郭洪波进一步解释，航空发动机平均使用时间超过上千个小时，其中存在发动机抗高温的问题，必须由隔热陶瓷解决。同时，国内航空飞机每天飞行上万架次，要减少油耗，就必须减轻飞机重量，陶瓷发动机有助于实现这个目标。氮化硅耐高温、化学稳定性好，而且强度高、硬度大、耐磨损、抗冲击、抗腐蚀、质量轻、导热性能好，在机械、化工、冶金、航天、电子、国防及核工业等行业有着广泛应用。氮化铝因高导热散热、绝缘、耐高温，成为一种具有广阔应用前景的高导热陶瓷材料；可以作为半导体模块、功率模块、电子封装、大规模集成电路基片、导热蒸发舟等电子领域的重要材料，如目前大规模集成电路就急需氮化铝材料快速把热传导出去。随着大飞机项目带动我国高纯超细氮化硅、氮化铝粉体市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术已成为当前研究的焦点。北京钢铁研究总院高级工程帅王声宏介绍，国际上研发的氮化硅粉末制备方法很多，主要有两种代表工艺，包括美国陶氏化学公司开发的二氧化硅碳热还原氮化法，以及国际上普遍采用的硅粉直接氮化法。国际上大的生产厂家有德国Starck公司、英国AME公司、瑞典Kemanord公司和日本电工等厂商。两种工艺都需要很长的氮化时间，一般为每周期72小时，所制备的氮化硅粉末价格也较高。美国报道的硅粉氮化法制取氮化硅的价格为35美元／千克。而国际市场氮化硅粉体的实际平均价格为45美元／千克。但由于粉体性能原因，国际市场普遍接受的粉末仍是闩本Ube公司的产品。其工艺采用氨解法，产品价格是120美72／千克。近年来，国内许多单位开发了制备纳米氮化硅粉末的等离子体法，但由于产品价格和产量规模的原因，尚不具备大规模产业化的可能性。王声宏说，氮化铝于1877年首次合成，在20世纪80年代大量应用于微电子学。氮化铝也有两种生产工艺，美国、日本采用碳还原法，俄罗斯科学院采用燃烧合成法。克罗地亚大学拉德米拉?朱凡斯维克教授指出，氮化硅和氮化铝产能在全球分布不均，30％集中在美国，因为其航空航天业发展迅速，优势强大。解放军国防大学教授罗海曦提出，标准是引导产业发展的关键，也是知识产权的核心。在国际竞争越来越激烈的今天，先有标准后有制造已成为跨国公司跑马圈地的重要手段，因此应当尽快建立氮化硅、氮化铝产品的相关国家标准。王声宏认为，目前我国氮化硅、氮化铝材料生产技术相对落后，大部分还处于原始材料的生产和供应阶段，与国外尖端技术水平相比有很大差距。要提升我国氮化物材料的生产技术水平，必须借鉴国外先进技术标准。如国外氮化硅产品是白色的，而国产氮化硅为黑色或者灰色，是只能应用于民用的低端产品，高端产品还需依赖进口。王声宏介绍，国内研发重点应主要放在氮化硅和氮化铝的制品上，也就是氮化硅和氮化铝的应用。氮化硅主要用在陶瓷发动机上，氮化铝主要应用于大规模集成电路。国外目前已把氮化铝用在仪表上，既绝缘艾导热。美国公司曾用氮化铝做填料，加入橡胶和塑料中，提高性能。由于我国高绝缘、高导热氮化铝陶瓷基片市场迅猛发展，国家“863”计划中已投入上亿元资金进行氮化硅的研发。2007年11月3日，氮化硅“863”产业化项目已经落户江西婺源，投入资金2．16亿元。随着我国氮化物产业的发展，氮化硅、氮化铝相关国家标准的重要性将日渐突出。专家呼吁，在一个全球化的时代，没有标准就没有话语权，大飞机项目不光要造中国飞机，也需要“造”中国标准。二．碳化硅的应用由于碳纤维复合材料密度低、刚性好合强度高，成为一种先进的航天材料。我国对碳/碳烧蚀材料相关的科技问题进行了深入地研究，其研究成果已在导弹发射管、固体火箭发动机壳体、卫星和飞船上等得到应用。空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，波音777飞机利用碳纤维做结构材料，包括水平和垂直的横尾翼和横梁，这些材料被称为“首要的结构材料”，所以对他们的质量要求极其苛刻。对于波音777飞机，日本东丽公司是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。欧洲空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维，东丽的TORAYCA碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。美国波音公司推出新一代高速宽体客机—“音速巡洋舰”，约60%的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成，其中包括机翼。它比铝轻，但强度不相上下。微机械，碳化硅纤维高温光纤压力传感器：光纤传感器提供的能力，增加了热区清除了传统电子传感器，这些设备的温度范围。Unfortunately,theseconditionsalsoexceedthecapabilitiesofsiliconandsilicaopticalfiber.不幸的是，这些条件也超出了硅和石英光纤的能力。Incontrast,siliconcarbidehasexcellentmechanical,thermalandchemicalpropertiesforuseinsuchenvironments,whilethehighoperatingtemperatureandopticalqualityofsapphirefibersandtheinherentimmunityofopticalfibersensorstoelectromagneticinterferencemaketheiruseofparticularlyadvantageous.与此相反，碳化硅已经在这样的环境中使用优良的力学，热学和化学特性，而高工作温度和蓝宝石光纤光学质量和光纤传感器的固有抗电磁干扰使他们特别有利的用途。Sensorsmadefromacombinationofthesematerialswouldbeabletooperateinalmostanypropulsiveenvironmentandallowvaluableinsightintoflowregimeswherelittlepreviousdataisavailable.从这些材料的组合进行传感器将能够在几乎任何环境，并允许将推进流通体制的地方小了宝贵的见解以前的数据可用。陶瓷电容器在航空航天领域的应用：电陶瓷的主要应用之一是陶瓷电容器。现代电容器介电陶瓷主要是以钛酸钡为基体的材料。当钡或钛离子被其他金属原子置换后,会得到具有不同介电性能的电介质。钛酸钡基电介质的介电常数高达10000以上,而过去使用的云母小于10,所以用钛酸钡制成的电容器具有体积小、电储存能力高等特点。钛酸钡基电介质还具有优异的正电效应。当温度低于某一临界值时呈半导体导电状态,但当温度超过这一临界值时,电阻率突然增加到103～104倍成为绝缘体。利用这一效应的产品有电路限流元件和恒温电阻加热元件。许多陶瓷,如锆钛酸铅,具有显著压电效应。当在陶瓷上施加外力时,会产生一个相应的电信号,反之亦然,从而实现机械能和电能的相互转换。压电陶瓷用途极其广泛,产品有压力传感元件、超声波发生器等。3、光学性能陶瓷在光学方面的应用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中随处可见,如涂料、陶瓷釉和珐琅。核工业中,利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面应用非常广泛。陶瓷也可被制造用来透过不同波长的光线,其中最重要的就是红外线透射陶瓷,它仅允许红外光线透过,被用来制造红外窗口,在武器、航空航天领域和高技术设备上得到广泛应用。08080323胡登平