高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望
摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。
关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用
1 前言
为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到
接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金
熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结
构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。
近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。
2 国内外应用与研究现状
由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf
用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。
此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。
3 研究方向与发展趋势
陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤
维增强陶瓷复合材料是目前
最重要的一类高温结构陶瓷,因此文中将其单独列出进行叙述。同时,对近年来发展出的具有高温应用潜力的层状陶瓷复合材料做了较详细的介绍。
311 非连续纤维增强陶瓷基复合材料
各种增韧手段在制备工艺和增韧效果上各有优劣。其中相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度,但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单,可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中,由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区,这种应力区与外加应力发生相互作用,使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式(如相变) 吸收能量,从而提高了材料的断裂抗力。表1 列出了一些具有代表性的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料的力学性能[10 ] 。
对于高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料,就基体而言,综合考虑高温强度、抗热震性、比重、抗蠕变性、抗氧化性等,首选材料仍是Si3N4 和SiC。在高温下它们的表面会形成氧化硅保护层,能满足1600 ℃以下高温抗氧化的要求。通过在基体材料中加入合适的增强物及选择适当的材料结构,可大幅度提高陶瓷材料的强度和韧性。
表1 一些典型陶瓷基复合材料的性能[10 ]
材料抗弯强度(MPa)
(基体/ 增强物) 室温高温室温断裂韧性(MPa·m1/ 2) Si3N4/ 20vol %SiCW 500 —12. 0
Si3N4/ 10wt %SiCW 1068 386 (1300 ℃) 9. 4
Si3N4/ SiC 短切纤维900 —20. 0
Si3N4/ SiC 纳米颗粒1550 —7. 5
SiC/ SiCW 501 271 (1200 ℃) 6. 0
SiC/ 25wt %TiC 580 — 6. 5
SiC/ 15vol %ZrB2 560 — 6. 5
SiC/ Si3N4 930 —7. 0
SiC/ 33 %TiC233 %TiB2 970 — 5. 9
Al2O3/ SiC 短切纤维800 —8. 7
Al2O3/ SiC 纳米颗粒152 0 — 4. 8
Al2O3/ Si3N4 纳米颗粒850 — 4. 7
Al2O3/ TiC 940 — 4. 0
Al2O3/ YAG 373 198 (1650 ℃) 4. 0
莫来石/ ZrO2-SiC 500 — 6. 1
Y2TZP/ 20 %SiC 1050 —8. 0
ZrO2/ 30vol %SiC 650 400 (1000 ℃) 12. 0
3. 2 连续纤维增强陶瓷基复合材料
与其它增韧方式相比,连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC) 具有较高的韧性,当受外力冲击时,能够产生非失效性破坏形式,可靠性高,是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。CFCC 的研究始于1973 年S1R1Levitt 制成的高强度碳纤维增强玻璃基复合材料[11 ] 。70 年代中期,日本碳公司(Nippon Carbon Co. ) 高性能SiC 连续纤维2Nicalon的研制成功,使制造纯陶瓷质CFCC 成为可能。80 年代中期, E1Fitzer[12 ]等用化学气相沉积法制备出高性能的Nicalon 纤维增强SiC 基陶瓷复合材料,有力地推动了CFCC 的发展。十几年来,世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对CFCC 的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究,取得了一些重要成果,少数材料已达到实用化水平。表2 为单组分陶瓷与连续纤维增强陶瓷基复合材料性能的比较[13 ] 。
表2 单组分陶瓷与CFCC性能的比较[ 13]
材料抗弯强度MPa 断裂韧性MPa·m1/ 2
Al2O3 550 4. 5
碳增强Al2O3/ SiCf —10. 5
SiC 500 4. 0
SiC/ SiCf 750 25. 0
SiC/ Cf 557 21. 0
氮化硼增强ZrO2/ SiCf 450 5. 0
硅酸硼玻璃60 0. 6
硅酸硼玻璃/ SiCf 830 18. 9
目前用于增强陶瓷基复合材料的连续纤维主要有SiC 纤维、C 纤维、B 纤维及氧化物纤维等,表3 为陶瓷基复合材料所用主要纤维的性能[14 ] 。由表3 可见, C 纤维的使用温度最高, 可超过1650 ℃,但只能在非氧化气氛条件下工作。对于C 纤维增强陶瓷基复合材料高温下的氧化保护问题,国际上目前尚没有完全解决。除C 纤维外,其它纤维在超过1400 ℃的高温下均存在强度下降问题,由于陶瓷材料一般都需在1500 ℃以上烧成,通常的制备方法都会使陶瓷纤维由于热损伤而造成力学性能的退化。CVI 工艺[40 ,41 ]虽然可解决制备过程中的这一问题,但成本十分昂贵,且材料在高温下使用时仍会面临纤维性能退化的问题。因此要使连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能有所突破,关键是要研制出高温强度高且抗氧化的陶瓷纤维。
表3表3 陶瓷基复合材料所用主要纤维的性能[ 14]
纤维ρ(g·cm- 3) σ(GPa) E(GPa) 直径(μm) 最高使用温度( ℃) FP 纤维 3. 9 1. 38 380 21 1315
Al2O3 PRD 166 4. 2 2. 07 380 21 1400 Sumitomo 3. 9 1. 45 190 17 1250
Nextel 440 3. 1 2. 7 186 12 1427
莫来石
Nextel 312 2. 7 1. 55 150 12 1205
β2SiC Nicalon 2. 55 2. 62 193 10 1205 SiTiCO Tyranno 2. 5 2. 76 193 10 1300
Si3N4 TNSN 2. 5 3. 3 296 10 1205 SCS-6 3. 05 3. 45 410 140 1300
SiC 单纤维
Sigma 3. 4 3. 45 410 100 1260
纯熔融石英Astroquartz 2. 2 3. 45 69 9 980
T300 1. 8 2. 76 276 10 > 1650
石墨
T40R 1. 8 3. 45 276 10 > 1650从目前来看,解决纤维问题的途径主要有2条:一是提高SiC 纤维的纯度,降低纤维中的氧含量。如近年来采用电子束辐照固化方法发展出了一种低含氧量(质量分数为015 %) 的Hi2NicalonSiC 纤维[15 ] ,其高温性能比普通Nicalon SiC 纤维有了明显的提高;二是发展高性能的氧化物单晶纤维。氧化物连续纤维出现较晚,且一般为多晶纤维,高温下纤维会发生再结晶,使其性能下降,而单晶纤维则可避免这一问题。例如目前蓝宝石单晶纤维使用温度可达1500 ℃,使材料的高温性能有了很大提高[16 ] 。随着能承受更高温度的氧化物单晶纤维的出现,高温结构陶瓷基复合材料的研究必将有所突破。
从发展趋势上看,非氧化物/ 非氧化物陶瓷基复合材料中, SiC/ SiCf 、Si3N4/ SiCf 仍是研究的重点,有望在1600 ℃以下使用;氧化物/ 非氧化物陶瓷基复合材料由于氧化物基体的氧渗透率过高,在高温长时间的应用条件下几乎没有任何潜在的可能;能满足1600 ℃以上高强和高抗蠕变要求的复合材料,
最大的可能是氧化物/ 氧化物陶瓷基复合材料。
连续纤维增强陶瓷基复合材料虽然在力学性能上具有一定优势,但是连续纤维的生产、排布和编织等工艺复杂,复合材料的成型和都很困难,复合材料强度较低,成本高昂。同时,高性能的耐高温陶瓷纤维问题至今尚未完全解决,这都极大地限制了它的推广应用。
313 层状陶瓷基复合材料
近年来,人们模拟自然界贝壳的结构,设计出一种仿生结构材料———层状陶瓷复合材料,其独特的结构使陶瓷材料克服了单体时的脆性,在保持高强度、抗氧化的同时,大幅度提高了材料的韧性和可靠性,因而可应用于安全系数要求较高的领域, 为陶瓷材料的实用化带来了新的希望。[17 ,18 ] 。
研究表明[19 ] ,贝壳的结构是由CaCo3 和有机物组成的类似砖砌体的超细层状结构,其综合力学性能
远远高于各组成相本身的性能,断裂韧性提高了近20 倍。贝壳结构的这一特点使材料科学工作者认识到,陶瓷材料的韧化除了从组分设计上选择不同的材料体系外,更重要的一点就是可以从材料的宏观结构角度来设计新型材料,于是在90 年代初开始对层状陶瓷复合材料进行研究。层状陶瓷复合材料的基体层为高性能的陶瓷片层,界面层可以是非致密陶瓷、石墨或延性金属等。与非层状的基体材料相比,层状陶瓷复合材料的断裂韧性与断裂功可以产生质的飞跃,如英国化学工业公司的Clegg 博士等[17 ]
制备的SiC/ 石墨层状复合陶瓷,断裂韧性从基体的316MPa·m1/ 2提高到15MPa·m1/ 2 ,增长了4 倍多,而断裂功则增长了2 个数量级。层状复合不仅可有效改善陶瓷材料的韧性,而且其制备工艺具有操作简单、易于推广、周期短而廉价的优点,尤其适合于制备薄壁类陶瓷部件。同时,这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合,形成不同尺度多级增韧机制协同作用,立足于简单成分多重结构复合,从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路,这种新的工艺思路是对陶瓷基复合材料制备工艺的重大突破,将为陶瓷基合材料的应用开发开辟广阔前景。表4 为一些层状陶瓷复合材料的力学性能。层状陶瓷复合材料之所以具有很高的韧性,主要是由于界面层对裂纹的钝化与偏转所至[25 ] 。材料破坏过程中,当裂纹穿过基体层到达界面层时,由于界面层很弱,裂纹尖端不受约束,由三向应力变为二向应力,裂尖被钝化,穿层扩展受到阻碍,裂纹将沿着界面偏转,成为界面裂纹,能量被大量吸收,只有在更大载荷的作用下,裂纹才会继续穿层扩展。这一过程重复发生,直至材料完全断裂。因此层状陶瓷复合材料的失效不是突发性的,裂纹的扩展不是象在单体陶瓷中那样直接穿透材料,而是有一个曲折前进的过程,使得材料的断裂韧性和可靠性大大增加。层状陶瓷复合材料由于结构上的特殊性,其力学性能也表现出一些独特的性质。研究表明[26 ] ,弱界面层状陶瓷复合材料对疲劳载荷不敏感,在经历3 ×106 次循环加载后,材料的剩
余抗弯强度与试验前相比没有下降。此外,在热冲击试验中,该复合材料在25～1400 ℃热循环500 次后,杨氏模量基本保持不变,抗弯强度反而略有上升。这些特性对于发动机高温结构件来说是十分重要的。作者等人最近的实验也表明,碳化硅基层状陶瓷复合材料的高温抗弯强度仅比室温强度略有降低,而且其高温抗氧化性和抗热震性均优于SiC/ Cf ,有着很大的发展潜力。Clegg 博士等人[26 ]用碳化硅基层状陶瓷复合材料制作了小型汽轮机的燃烧室内衬,并进行了3 次试车试验,第1 次试验后,层状材料和块体材料都没有破坏;第2 次试验后,块体材料破坏了,而层状材料保持完好;第3 次试验中,由于金属件扭曲,毁坏了内衬瓦片的悬挂装置,试验被迫停止。可见用层状陶瓷复合材料作为薄壁类高温结构件是很有希望的。
表4 一些层状陶瓷复合材料的力学性能
材料体系断裂韧性(MPa·m1/ 2 ) 断裂功(J/ m2) 抗弯强度(MPa) 文献
基体层界面层
SiC 石墨17. 7 6152 633 [20] Si3N4BN + 12wt %Al2O3—6500 437 [21]
β-Si3N4 BN + 10vol %Si4N4—4500 530 [22]
Si3N4 BN 纤维—4700 280 [23] Si3N4-SiCW BN-Al2O320. 4 —651 [24]
4 结束语
陶瓷基复合材料到目前为止其应用范围仍然非常有限。除材料性能有待于进一步提高外,还有几个需要重视的问题。
(1) 制造成本。陶瓷基复合材料的高成本实际上已成为阻碍其发展的一个巨大障碍,因此材料的低成本制造技术将是今后的一个重要研究方向。要降低成本首先在原材料上要尽量选取已工业化批量生产的材料,在性能允许的范围内优先使用低价格材料。从这一点来说,非连续纤维增强陶瓷基复合材料更容易满足低成本要求。其次要尽量减少材料的后加工,陶瓷材料的后加工在其成本中占有大的比重,因此,在制备过程中要选择适当的近形制造方法,以减少后加工量。美国陶瓷界人士认为,凝胶铸成型与水基低压注射成型是目前最好的2 种陶瓷材料成型技术,用这2 种方法已制成了多种形状复杂的陶瓷零件。
(2) 可重复性。提高陶瓷材料的可重复制造性和可靠性,降低其缺陷敏感性和尺寸效应,也是今后的一项重要研究内容,这直接关系到陶瓷基复合材料制件的批量生产及其在实际结构中的大量应用。因此在制备过程中应严格按工艺要求进行,尽量减少不确定因素和随意性,避免材料成分出现偏析和产生大的缺陷。
(3) 设计准则。目前陶瓷基复合材料制件的结构设计主要参照金属材料的设计准则,由于两者间性质相去甚远,这一做法已显得越来越不适应,在一定程度上制约了陶瓷材料的发展速度,因此有必要为陶瓷材料制定新的设计准则,以利于陶瓷材料的研究和应用。
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姓名：刘飞
学号：0975228
班级：09752
功能陶瓷材料的应用 研究 姓名：刘军堂___________ 学号: 23122837________ 班级: 机械1201_________ 任课老师：张志坚__________
功能陶瓷材料的应用研究 1.选择一个课题进行相关检索，要求对课题作简要分析，并在分析的基础上确定检索词，准确描述检索过程。（10分）（可选择其他课程中以论文方式考核的科目，如无此类题目，可自选或用备选题目） 功能陶瓷 功能陶瓷材料是具有特殊优越性能的新型材料，各国在基础与应用研究以及工程化方面，均给予了特殊重视，特别是在信息、国防、现代交通与能源产业中均将其置于重要地位。根据功能陶瓷材料的应用前景，本文介绍了功能陶瓷新材料的性能、应用范围，市场的开发应用现状和开发应用新领域，以及正在研发的高性能陶瓷材料；同时介绍了功能陶瓷材料今后的发展趋势。 关键词：功能陶瓷材料；应用现状；趋势 检索过程 第一步：进入“中国知网”主页，网址是“https://www.doczj.com/doc/506503020.html, 第三步：登录成功后会进入操作界面， 第四步：选择要检索的文献数据库。在操作界面上，中国知网将其文献分成了不同的库，我们根据自己的文献范围属性进行选择。 第五步：检索参数设置。在操作界面的上部，有搜索参数设置对话框。最好逐一填写。（1）检索项，系统对文献进行了检索编码，每一个文献都有一一对应的编码，一个编码就是一种检索项。点击检索项框右边的向下箭头，就能弹出所有检索项，选中一个就好。（2）检索词，填入要求系统搜索的内容。没有明确严格要求，不一定是词语。但是需要考虑到它应当与你选中的检索项相一致。如检索项用了“关键词”，就不能用一个长句等作检索词了。（3）文献时间选择，根据文献可能出现的年代，点击对话框右边的小三角就可以选了。需要说明的是，中国知网建立时间是1994年，所以1994年及其后的数据才是最全的。现在他们在逐渐补充1994年以前的文献数据，但是，全面性可能要差些。（4）排序，提示系统将找到的文献按什么顺序呈现。（5）匹配，即要求系统按自己的检索要求进行哪种精确程度的检索。如果你确定你的文献参数，那么选择“精确”，如果不确定，就选择“模糊”。 第六步：点击“搜索”就完成了第一阶段的操作了。然后就进入检索结果呈现的界面：中国知网2.rar（点击打开查看），中国知网的结果呈现表中，对文献的基本信息：文献题目、文献的载体、发表时间及在中国知网中的收藏库名进行了说明。
中国陶瓷发展现状及分析 一、陶瓷的历史悠久灿烂 在我国古代,制陶业已经有辉煌、独特的成就。在黄河流域和长江流域众多的新石器时代遗址中，出土了大量的陶器和陶器碎片。其中有许多已不仅仅是生活日用品，而且具有明显的艺术倾向成为陶制艺术品，如代表制陶业突出成就的彩陶和陶塑。 随着制陶业的发展，自殷商时代早期，即已出现了以瓷土为胎料的白陶器和烧成温度达1200℃的印纹硬陶，开始了由陶向瓷的过渡。至东汉时期，浙江的越窑出产了成熟的青瓷，这是中国陶瓷史上的里程碑，标志着我国瓷器业的成熟。 魏晋南北朝在中国瓷器史上属于起步发展阶段，青瓷一统天下，烧造的地域进一步扩大，但也有少量的黑釉瓷和白瓷被发现。这个时期，社会动荡，战乱不断，民族的融合及佛教的传入，促使陶瓷艺术风格的多样化。到了北朝晚期，白瓷首先在北方出现，这说明制瓷技术发展到一定高度，胎釉中的含铁量受到控制，克服了铁的呈色干扰，为后来彩瓷的出现奠定了基础。白瓷的成功烧造，是中国瓷器史上新的里程碑。
隋唐时期，中国古代政治、经济、文化、商业贸易空前繁荣，推动了制瓷业的进步和瓷器市场的扩大，形成了“南青北白”的格局。南方以生产青瓷为主，越窑为最典型的代表，瓷胎轻薄致密，釉层晶莹细润，取得了极高的瓷艺成就。唐代邢窑白瓷为所谓“北白”的代表，瓷胎、瓷釉白度都很高，瓷胎坚实、致密，叩之发出金石之声。中晚唐时期，青、白瓷烧造进一步成熟，黑、黄、花瓷及绞胎瓷器成功烧造，以唐长沙窑为代表的彩瓷、唐代青花器的出现，打破了“南青北白”的比较简单的抗衡，从唐末五代开始，中国瓷器史上开始出现了名窑林立的局面。 宋朝是中国封建社会继汉唐之后的第三个繁荣时期，科技、文学、艺术和手工业高度发达，陶瓷业蓬勃发展，瓷窑遍布全国各地，地方风格浓郁，可以概括为“六大窑系”和“五大名窑”。 瓷都景德镇在元朝时崛起，并以青花瓷、釉里红瓷和卵白釉枢府瓷驰名天下。中国陶瓷艺术经过几千年的发展，到明清时期呈现出灿烂辉煌的景象，各类陶瓷艺术品璀璨生辉。以青花瓷为代表的彩瓷兴盛起来：五彩、斗彩、素三彩、釉下三彩、珐琅彩、粉彩等等，明清彩瓷集陶瓷艺术之大成，极富艺术魅力。颜色釉瓷的烧造进入炉火纯青的境界，单色釉品种不断创新：霁蓝釉、祭红釉、郎窑红釉、豇豆红釉、黄釉、孔雀绿釉等等。制瓷技术也有新的突破，陶车旋刀取代了竹刀旋坯，并开始运用吹釉技术，瓷器的质量与数量由此迅猛提高。
超高温陶瓷及其应用
超高温陶瓷及其应用讲座小结 超高温陶瓷（UHTCs: Ultra High Temperature Ceramic? 是指能在1800°C 以上温度下使用的陶瓷材料。这类陶瓷材料有望用于航天火箭的发动机部件，太空往返飞行器和高超音速运载工具的防热系统，先进核能系统用抗辐照结构材料和惰性基体材料，以及金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件等。目前，针对超高温陶瓷的主要研究内容包括：微结构调控与强韧化、抗氧化-耐烧蚀-抗热震性能的提升、抗辐照性能的改善等。 超高温陶瓷材料最早的研究从I960'年代开始。当时在美国空军的支持下，Manlab开始了超高温陶瓷材料的研究，研究对象主要是ZrB2和HfB2及其 复合材料。研发的80vol%HfB 2 -20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的需要，但采用的热压工艺对部件制备有很大的限制。到1990' s NASA Ames实验室也开始了相关研究。与此同时，美国空军从1960'年代开 始进行尖锐前缘飞行器及其热防护系统的分析和设计，经过三十多年的研究，取得了很大进展。Ames实验室及其合作伙伴开展了系统热分析、材料研发和电弧加热器测试等一系列研究工作，并于1990'年代进行了两次飞行实验 （SHARP-B1、SHARP-B2）。其中，SHARP-B2的尖锐翼前缘根据热环境的不同分为三部分，分别采用的是ZrB2 /SiC/C、ZrB2/SiC和HfB2/SiC材料，展示了基于二硼化铪和二硼化锆为主体的一类超高温陶瓷材料作为大气层中高超声速飞行器热防护系统材料的应用前景。2003年2月1日，美国航天飞机发生了哥伦比亚”号的爆炸惨剧，为了保障未来的航天飞机具有更可靠的飞行安全性，美国航天宇航局（NASA ）在哥伦比亚”号失事后迅速启动了相关的研究计划，其中就包括研究新一代超高温陶瓷，用于航天飞机的阻热材料。研究计划目的在于开发出熔点高于3000C的超高温陶瓷材料，主要是ZrB2、HfB2以及它们的复合材料，作为航天飞机的新型阻热材料。 从材料种类来看，超高温陶瓷主要包括高熔点硼化物和碳化物。其中 HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过 3000C，无相变，具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好抗热震性能
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/506503020.html, 浅析先进陶瓷材料的研究现状及发展趋势 作者：孙彬 来源：《科技资讯》2017年第27期 摘要：随着现阶段各种高新技术日新月异的发展，先进陶瓷材料已经成为了新材料领域 中的翘楚，也是很多技术创新领域需要用到的关键材料，受到了很多发达国家和工业化企业的极大关注，先进材料的发展以及应用也在很大程度上对于工业的发展和进步产生一定的影响。本文旨在探讨先进陶瓷材料的研究现状及发展趋势。 关键词：工业陶瓷材料先进研究环保发达国家 中图分类号：TQ174.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0217-02 随着先进陶瓷的各种优势越来越明显，很多自动化控制、人工智能、电子智能技术领域都需要先进陶瓷的入驻，可以说，先进陶瓷的市场产量和覆盖范围已经发展到了一个不可忽视的阶段。 1 先进陶瓷的具体应用以及性能优势对比 先进陶瓷，根据各自的优点以及应用范围，大体可以分为两大类，也就是功能陶瓷和结构陶瓷，具体的应用范围以及性能优势，如表1所示。 2 国内外对于先进陶瓷材料的研究现状 2.1 国外对于先进陶瓷材料的研究现状 现阶段，全球各个国家对于先进陶瓷材料进行研究应用的趋势越来越明显。 举例来说，以美国和日本为代表，在对于先进陶瓷材料的研究和应用方面远远领先于其他国家。美国的宇航局和航空局大规模的应用了先进陶瓷。比如说在航空发动机上用陶瓷来替代其他材料；提出了关于先进陶瓷的多个计划，在每年对于先进材料的研究和应用上，投入多达35亿美元。这些都是为了提高他们在国际上的综合竞争能力。而日本也提出了对于先进陶瓷 研究和开发的一项计划，名曰“月光计划”，另外，欧盟各国尤其是以工业闻名的德国，都对先进陶瓷进行了研究和开发，法国也紧随其后，主要集中在对新能源材料进行重点的研究和突破。 综合来说，这些发达国家，比如美国、日本、欧盟，它们在先进陶瓷领域每年的平均增长率高达12%，其中欧盟较为领先，多达15%～18%，美国则是9.29%，日本是7.2%。现阶 段，全球先进陶瓷的最大市场集中在美国和日本，其次就是欧盟国家，甚至可以说，先进陶瓷在发达国家更加受到重视和人们的欢迎。
材料与化工学院 2012级材料科学与工程二班 课程作业：无机非金属材料工艺学学生姓名：刘健 学生学号： 授课老师：
目录 1.传统陶瓷材料------------------------------------------------------------------------------------------------3 2.新型陶瓷材料------------------------------------------------------------------------------------------------3 2.1生物陶瓷材料------------------------------------------------------------------------------------------4 2.1.1生物陶瓷研究背景------------------------------------------------------------------------------4 2.1.2生物陶瓷研究的一些成果---------------------------------------------------------------------4 2.1.3生物陶瓷在国外的研究动态和发展趋势-------------------------------------------------4 2.1.4我国生物陶瓷材料研究设想与展望--------------------------------------------------------5 2.2高温压电陶瓷材料-------------------------------------------------------------------------------------5 2.2.1改性钛酸铅压电陶瓷----------------------------------------------------------------------------5 2.2.2 PZT基多元系压电陶瓷--------------------------------------------------------------------------6 2.3超级亲水易洁陶瓷材料-------------------------------------------------------------------------------6 2.4热障涂层陶瓷材料--------------------------------------------------------------------------------------7 2.4.1几类热障陶瓷涂料研究近况-------------------------------------------------------------------7 2.4.1.1氧化物稳定的ZrO2---------------------------------------------------------------------------7 2.4.1.2焦绿石或萤石结构A2B2O7陶瓷----------------------------------------------------------7 2.4.2需要达到的目标------------------------------------------------------------------------------------8 3.结语----------------------------------------------------------------------------------------------------------------8
陶瓷的研究现状与发展展望 陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料.它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点.可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料. 分类: 普通陶瓷材料 采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟.这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等. 特种陶瓷材料 采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要.根据其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能.本节主要介绍特种陶瓷. 编辑本段性能特点力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上.陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差. 热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上）,且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料.同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性. 电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件.铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为机械能（具有压电材料的特性）,可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等.少数陶瓷还具有半导体的特性,可作整流器. 化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力. 光学性能 陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等.磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途. 编辑本段常用特种陶瓷材料 根据用途不同,特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷. 1．结构陶瓷 氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3,一般含量大于45%.氧化铝陶瓷具有各种优良的性能.耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍.其缺点是脆性大,不能接受突然的环境温度变化.用途极为广泛,可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等,也可作刀具和模具. 氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4,这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 超高温陶瓷复合材料的研究进展 超高温陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮 化物，它们的熔点均在3000℃以上。在这些超高温陶瓷中，ZrB2 和HfB2 基超高温陶瓷复合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀 性能，可以在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀，是一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。 超高温陶瓷复合材料的制备 超高温陶瓷复合材料的致密化主要有热压烧结(HP)、放电等离子烧结(SPS)、反应热压烧结((RHP)和无压烧结(PS)。在这些制备方法中，热压烧结是目前超 高温陶瓷复合材料最主要的烧结方法。 热压烧结 ZrB2 和HfB2 都是ALB2 型的六方晶系结构，其强共价键、低晶界及体扩散 速率的特征，导致该类材料需要在非常高的温度下才能致密化，一般需要2100 ℃或更高的温度和适中的压力(20-30 MPa)或较低温度(~1800℃)及极高压力( 800 MPa)。ZrB2 和HfB2 结构和性能相近，后者的熔点比前者高，需要更高的致密化温度，同时具有更优异的高温性能，而前者的密度和成本都比后者 低，也是业内关注最多的。 放电等离子烧结 放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通人脉冲电流进行加热烧结，具有升温 速度快、烧结时间短、组织结构可控等优点，该方法近年来用于超高温陶瓷复 合材料的制备。产生的脉冲电流在粉体颗粒之间会发生放电，使其颗粒接触部 位温度非常高，在烧结初期可以净化颗粒的表面，同时产生各种颗粒表面缺 陷，改善晶界的扩散和材料的传质，从而促进致密化，相对于热压烧结超高温
陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前陶瓷基板的现状与以后的发展。 陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前陶瓷基板的现状与以后的发展。 1、塑料和陶瓷材料的比较 塑料尤其是环氧树脂由于比较好的经济性，至目前为止依然占据整个电子市场的统治地位，但是许多特殊领域比如高温、线膨胀系数不匹配、气密性、稳定性、机械性能等方面显然不适合，即使在环氧树脂中添加大量的有机溴化物也无济于事。 相对于塑料材料，陶瓷材料也在电子工业扮演者重要的角色，其电阻高，高频特性突出，且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和熔点高等优点。在电子线路的设计和制造非常需要这些的性能，因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜或和电路的基板材料，还可以用作绝缘体，在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。 2、各种陶瓷材料的比较 2.1 Al2O3 到目前为止，氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。 2.2 BeO 具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，但温度超过300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。 2.3 AlN AlN有两个非常重要的性能值得注意：一个是高的热导率，一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。目前大规模的AlN生产技术国内还是不成熟，
·综述· 收稿日期：2015－05－20 作者简介：郭强强，1989年出生，硕士，主要从事超高温陶瓷材料的研究工作。E －mail ：qqguo@outlook．com 超高温陶瓷的研究进展 郭强强 冯志海周延春 （航天材料及工艺研究所，先进功能复合材料技术重点实验室，北京100076） 文 摘 超高温陶瓷在极端环境中能够保持稳定的物理和化学性质，被认为是高超声速飞行器和大气层 再入飞行器鼻锥和前缘最有前途的候选热防护材料。本文系统评述了超高温陶瓷（主要是过渡金属硼化物、碳化物和氮化物）在粉体合成、致密化、力学性能等方面的研究进展。对超高温陶瓷研究中存在的一些问题作出初步总结，希望对超高温陶瓷的进一步研究和应用起到积极的推动作用。 关键词 超高温陶瓷，粉体合成，致密化，力学性能 中图分类号：TB3DOI ：10．3969/j．issn．1007－2330．2015．05．001Progress on Ultra-High Temperature Ceramics GUO Qiangqiang FENG Zhihai ZHOU Yanchun （Science and Technology of Advanced Functional Composite Materials Laboratory ，Aerospace Ｒesearch Institute of Materials ＆Processing Technology ，Beijing 100076） Abstract Ultra-high temperature ceramics （UHTCs ）are regarded as the most promising thermal protective ma- terials for the nose and leading edge of hypersonic or re-entry vehicles due to their stability of physical and chemical properties in extreme environment．The progress on UHTCs is reviewed in detail ，including powder synthesis ，densifi-cation and mechanical properties．Also ，some problems exist in the material studies are preliminarily summarized．It is expected that this review will provide some guidance for stimulating further research and practical applications of the UHTCs． Key words Ultra-high temperature ceramics ，Powder synthesis ，Densification ，Mechanical property 引言 超高温陶瓷（UHTCs ）通常指熔点超过3000?，并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的一类 特殊陶瓷材料，通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。极端环境一般指高温、反应气氛（如原子氧，等离子体等）、机械载荷和磨损等组成的综合环境。随着航空航天技术的迅猛发展和实现空天一体化的迫切需要，高超声速飞行器是近年来许多国家航空航天部门发展的重点领域。在长时间高超声速巡航、跨大气层飞行和大气层再入等极端环境下，飞行器机翼前缘和鼻锥等关键部件在飞行过程中与大气剧烈摩擦，产生极高的温度。如Falcon 计划 中机翼前缘的驻点区域温度可以超过2000?［1］，此 外火箭喷嘴口、吸气增强推进系统和发动机进气道在 飞行过程中也要承受高热载荷和机械载荷。目前，极少材料能够在如此剧烈的氧化对流环境中保持结构和尺寸的完整性。因此，如何设计和制备有着良好的抗氧化性、抗烧蚀性、抗热震性并保持一定高温强度的超高温热防护材料成为新型空天飞行器亟待解决的重要技术问题。 目前有望在1800?以上温度使用的材料一般有 难熔金属材料、陶瓷基复合材料、C /C 复合材料等。难熔金属材料密度高、加工性能和抗氧化性差，不适合作为高超声速飞行器鼻锥和前缘等部位的热防护 材料。C /C 复合材料是一种良好的结构/功能一体化材料，已成功用于制造导弹的弹头部件、航天飞机防
浅论陶瓷复合材料的研究现状及应用前景 董超2009107219金属材料工程 摘要 本文主要对陶瓷复合材料的研究现状及应用前景进行了研究，并对当今陶瓷复合材料发展面临的问题进行了概括，希望对陶瓷复合材料的进一步发展起到一定的作用。 本文首先对Al2O3陶瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景进行了详细的研究。然后对整个陶瓷复合材料的发展趋势及存在的问题进行了分析，得出了在新的时期陶瓷复合材料主要向功能、多功能、机敏、智能复合材料、纳米复合材料、仿生复合材料方向发展；目前复合材料面临的主要问题是基础理论研究问题和新的设计和制备方法问题。 关键词：Al2O3陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料研究现状应用前景 1. 前言 以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、用途等不同，可将陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。而在许多重要的应用及研究领域，特殊陶瓷是主要研究对象。 陶瓷复合材料是特殊陶瓷的一种。在高技术领域内，对结构材料要求具有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。陶瓷具有优良的综合机械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定提高。因此引起各国科学家的重视。本文主要介绍了各种陶瓷复合材料的研究现状及其应用前景，并对陶瓷复合材料近年来的发展进行综述。 2.研究现状 随着现代科学技术快速发展，新型陶瓷材料的开发与生产发展异常迅速，新理论、新工艺、新技术和新装备不断出现，形成了新兴的先进无机材料领域和新兴产业。科学技术的发展对材料的要求日益苛刻，先进复合材料已成为现代科学技术发展的关键，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的一个重要指标，因此世界各国都高度重视其研究和发展。 复合材料的可设计性大，能满足某些对材料的特殊要求，特别是在航空航天技术领域的应用得到迅速发展。陶瓷复合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韧性，提高其可靠性，发挥陶瓷材料的优势，扩大应用领域。本文就几类典型的陶瓷复合材料介绍其研究现状。 2.1Al2O3陶瓷复合材料的研究进展及发展前景 Al2O3陶瓷作为常见陶瓷材料，既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、
高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望 摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。 关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用 1 前言 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到 接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金 熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结 构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。 近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。 2 国内外应用与研究现状 由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf 用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。 此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。 3 研究方向与发展趋势 陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤
超高温陶瓷及其应用讲座小结 超高温陶瓷（UHTCs：Ultra High Temperature Ceramics）是指能在1800℃以上温度下使用的陶瓷材料。这类陶瓷材料有望用于航天火箭的发动机部件，太空往返飞行器和高超音速运载工具的防热系统，先进核能系统用抗辐照结构材料和惰性基体材料，以及金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件等。目前，针对超高温陶瓷的主要研究内容包括：微结构调控与强韧化、抗氧化－耐烧蚀－抗热震性能的提升、抗辐照性能的改善等。 超高温陶瓷材料最早的研究从1960’s年代开始。当时在美国空军的支持下，Manlab开始了超高温陶瓷材料的研究，研究对象主要是ZrB2和HfB2及其复合材料。研发的80vol%HfB2 -20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的需要，但采用的热压工艺对部件制备有很大的限制。到1990’s ，NASA Ames 实验室也开始了相关研究。与此同时，美国空军从1960’s年代开始进行尖锐前缘飞行器及其热防护系统的分析和设计，经过三十多年的研究，取得了很大进展。Ames 实验室及其合作伙伴开展了系统热分析、材料研发和电弧加热器测试等一系列研究工作，并于1990’s年代进行了两次飞行实验（SHARP-B1 、SHARP-B2）。其中，SHARP-B2 的尖锐翼前缘根据热环境的不同分为三部分，分别采用的是ZrB2 /SiC/C 、ZrB2/SiC和HfB2/SiC材料，展示了基于二硼化铪和二硼化锆为主体的一类超高温陶瓷材料作为大气层中高超声速飞行器热防护系统材料的应用前景。2003年2 月1 日，美国航天飞机发生了“哥伦比亚”号的爆炸惨剧，为了保障未来的航天飞机具有更可靠的飞行安全性，美国航天宇航局（NASA）在“哥伦比亚”号失事后迅速启动了相关的研究计划，其中就包括研究新一代超高温陶瓷，用于航天飞机的阻热材料。研究计划目的在于开发出熔点高于3000℃的超高温陶瓷材料，主要是ZrB2、HfB2以及它们的复合材料，作为航天飞机的新型阻热材料。 从材料种类来看，超高温陶瓷主要包括高熔点硼化物和碳化物。其中HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过3000℃，无相变，具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等，并能在高温下保持很高的强度。成为超高温陶瓷最具潜力的候选材料。
文章编号：1006-2874（2010）05-0071-04 特种陶瓷材料的研究进展 葛伟青 （唐山学院，唐山：０６３０００） 中图分类号：ＴＱ１７４．７５文献标识码：Ａ 特种陶瓷也称为先进陶瓷、现代陶瓷、新型陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷和精细陶瓷,突破了传统陶瓷以黏土为主要原料的界限,主要以氧化物、炭化物、氮化物、硅化物等为主要原料,有时还可以与金属进行复合形成陶瓷金属复合材料,是一种采用现代材料工艺制备的、具有独特和优异性能的陶瓷材料。已成为现代高性能复合材料的一个研究热点。特种陶瓷于二十世纪发展起来，在近二、三十年内，新产品不断涌现，在现代工业技术，特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。许多科学家预言：特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，必将占据十分重要的地位。 特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能，可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等领域。一些经济发达国家，特别是日本、美国和西欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质基础，投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷，因此，特种陶瓷的发展十分迅速，在技术上也有很大突破。 １概述 特种陶瓷通常包括结构陶瓷、功能陶瓷(电子陶瓷)和生物陶瓷等.结构陶瓷具有高强度、高硬度、高耐磨、耐高温、耐腐蚀等特性,功能陶瓷具有导电、半导性、绝缘、压电、透光、光电、电光、声光、磁光等性能,生物陶瓷具有医疗(人工关节.骨、牙齿等)和催化等功能,在现代工业技术,特别是在高新技术领域中的地位日趋重要。 中国科学院上海硅酸盐研究所所长罗宏杰在佛山市加快发展特种陶瓷推介会上发言说，特种陶瓷具备传统陶瓷不具备的多种特性，消耗低、利润高，应用前景十分广阔。预计2010年全国的市场规模将达到400亿元。世界的市场规模将达到1500亿美元。中国经济的高速发展,将为特种陶瓷制造业提供广阔的市场与发展空间。 目前,高温结构陶瓷研究的主要目标仍然是燃气轮机、活塞发动机和磁流体发电机用的材料。高温结构陶瓷的应用在汽车、飞机、火箭等领域获得了成功。福特公司研制的汽车用轮机的机头、定子和叶轮都是用氮化硅制作的,热交换器是用蜂窝状结构的结晶化玻璃制成的。超音速飞机发动机和火箭燃烧室内壁、隔热衬层等高温部位都利用到了陶瓷材料。美国研制成功了AGT100和AGT101型全陶瓷汽车发动机,其进口温度分别达到了1290℃和1370℃,比超合金高200 ~260℃。 ２粉末制备技术进展情况 目前最引人注目的粉末制备技术是超高温技术。利用超高温技术可廉价地研制特种陶瓷。 超高温技术具有如下优点：能生产出用以往方法所不能生产的物质，能够获得纯度极高的物质，生产率会大幅度提高，可使作业程序简化、易行。目前，在超高温技术方面居领先地位的是日本。此外，溶解法制备粉末、化学气相沉积法制备陶瓷粉末、溶胶-凝胶法生产莫来石超细粉末以及等离子体气相反应法等也引起了人们的关注。 ３特种陶瓷成形方法及特点 ３．１干法成型 干法成型包括钢模压制成型、等静压成型、超高压成型、粉末电磁成型等方法。 3.1.1钢模压制成型（干压法） 将含有少量增塑剂、具有一定粒度配比的陶瓷粉末放在金属模内,在压机上受压,使之密实成型。钢模压制的优点是易于实现自动化,所以在工业生产中得到较大的应用。 3.1.2等静压成型 等静压成型是通过施加各项同性压力而使粉料一边压缩一边成型的方法。等静压力可达300MPa左右。在常温下成型时称为冷等静压成型,在几百摄氏度到2000℃温区内成型时称为热等静压成型。等静压有两种方式:干袋法和湿袋法。湿袋法是将粉末或颗粒密封于成型橡胶模型内,置于高压容器 收稿日期：2010-04-15 通讯联系人：葛伟青，E-mail:hbtsgwq@https://www.doczj.com/doc/506503020.html, ＣＨＩＮＡＣＥＲＡＭＩＣＩＮＤＵＳＴＲＹＯｃｔ．２０１０Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．５ 中国陶瓷工业 ２０１０年１０月第１７卷第５期
论文 题目：陶瓷材料的研究进展 姓名： 专业：化学工程与工艺 学号： 日期：2009-6-21
陶瓷材料的研究进展 摘要：近年来，随着科学的进步，陶瓷材料越来越多的进入我们的生产和生活，并且在性能和作用上体现出出乎意料的优越性。就我所知，陶瓷材料大体上可以分为四个类型：传统工艺陶瓷，结构陶瓷，功能陶瓷和生物陶瓷。本文仅对后三种新型陶瓷材料的研究进展做一个简单综述。 关键词：结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷纳米技术Abstract: In recent years, along with the science progress, the ceramic material more and more entered our production and the life, and manifested the superiority unexpectedly in the performance and the function. I know, the ceramic material may divide into four types on the whole: Traditional process ceramics, structure ceramics, functional ceramic and biological ceramics. This article only makes a simple summary to the latter three kind of new ceramic material's research development. Key word: Structure ceramics，functional ceramic，biology ceramics ，nanotechnology
新型结构陶瓷材料及其运用与发展趋势分析 新型结构陶瓷材料是一种近几年出现的材料，具有诸多优势，在节约能源、环保、提升生产效率、延长机器设备寿命等方面具有重要作用。新型结构陶瓷材料被广泛的应用在工业领域，为工业的发展提供了重要基础保障。文章对这种全新结构陶瓷材料进行了多方面的分析，首先，对新型结构陶瓷材料的概念、组成、特点进行了阐述；其次，对新型结构陶瓷材料的应用范畴进行了总结；再次，对新型结构陶瓷材料的产品开发方向进行了分析；最后，分析了新型结构陶瓷材料的发展趋势。经由文章的分析与总结，统计当前新型结构陶瓷材料的应用状况，以及其优势，为这种材料在相关领域的进一步推广应用提供理论参考。 标签：新型；陶瓷；发展趋势 前言 现代信息化时代中，高新科技在不断的发展，在这种发展趋势下，对各种材料也提出了更高的要求，尤其是对具有特殊性质的新型材料具有较高的关注。近几年，结构与性能优势较强的结构陶瓷材料成为材料应用领域的重点关注对象，其应用广泛性也随之提升。新型结构陶瓷材料的出现，对环保事业以及节能事业的开展具有重要意义，为此，也引起了政府方面的关注，经由政策、科技等众多领域的支持下，在理论基础以及产品开发等方面均取得了显著的成效。为进一步对结构陶瓷材料进行开发与推广，开展其性能以及应用范畴的研究具有必要性，而在下文中也将从这几个方向展开论述。 1 新型结构陶瓷概述 1.1 结构陶瓷概念 结构陶瓷是一种发挥机械、热、化学等性能的全新材料，能够在诸多较为恶劣的环境下应用，成为现代高新科技实现的关键因素。结构陶瓷与其他金属材料进行对比，陶瓷材料的优势主要表现为，优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损等，也正是由于这些性能优势，在多种领域中逐渐取代了昂贵金属资源的地位，对节约稀缺资源事业的开展具有重要价值[1]。结构陶瓷在工业材料中属于刚度与硬度最为适合的材料之一。常规结构陶瓷材料具有较高的熔点，在高温下能够维持较好的化学稳定性，而陶瓷材料的导热性又低于其他金属材料，为此也是一种较好的隔热材料。同时，多数结构陶瓷都具有较为良好的电绝缘性，为此，多被作为各种电压下的绝缘电器件使用。另外，陶瓷材料具有着较为特殊的化学性能，能够作为固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等应用，而在录音次磁带、唱片、计算机记忆元件等众多方面也具有着较高的应用价值。 1.2 结构陶瓷组成
超高温材料的研究进展及应用 发表时间：2018-11-08T19:10:34.990Z 来源：《防护工程》2018年第19期作者：郭大为[导读] 随着社会的的发展，经济的进步，我国的交通事业也在快速进步。 烟台同立高科新材料股份有限公司山东烟台 265500 摘要：随着社会的的发展，经济的进步，我国的交通事业也在快速进步。我们国家幅员辽阔，各种自然人文资源广阔，超高温材料的特殊性质为我国的基础设施建设发展做出了极大的贡献。城市以极高的速度发展，城市的基础建设越来越完善，人口数量的急剧增多，给城市的发展带来了很多负面的问题，比如土地紧张，生态恶化，交通拥堵等等。超高温材料的引用就显得非常符合当今的城市建设要求。 文章从超高温材料的研究进展角度作为切入点，对其进行一定的应用研究。 关键词：超高温材料难熔金属金属间化合物陶瓷基复合材料碳 /碳复合材料 引言：经济的发展速度迅猛，前期快速的发展速度带动了城市的发展，在后期，城市发展明显后劲不足，与经济发展相脱节，“城市病”问题不断出现在生活的方方面面。土地资源紧张，人口压力过大，交通拥堵，生态环境受到破坏等一些列问题，都阻碍了城市的发展。为了应对一系列的问题，世界各国都在集中对超高温材料抓紧研究，超高温材料还可以用于航空航天飞行器等军事领域，由此可见，超高温材料的研究与开发工作已成为各国研究材料的首选。 1超高温材料的研究进展 1.1 超高温材料的定义 就我国目前的研究水平而言，并没有对超高温材料给出明确的定位，也就是说，超高温材料只是代表着一种能够极度耐高温的材料而已。就我国目前对于超高温材料的研究进展而言，超高温这一概念并没有明确的温度界限，对于温度的上限没有明确的说明。基于我们目前的研究来看，超音速飞机以及航天飞机等各种类型的航天交通运输器械在飞行作业的过程中，飞行器的表面由于与空气摩擦速度相当之快，会产生极高的温度，一般温度会迅速上升，在 18 0 0一 20 00摄氏度左右。因此，基于飞行器表面极高的气温，为了研究如何保护飞行器的安全正常运行，就要对超高温材料的应用研究开展一定的探讨。 目前，学术界对于超高温材料的分类主要包括难熔金属及其合金、金属间化合物、陶瓷及其复合材料、碳 /碳复合材料这几种类型。通过不同的实验研究，分别对几种材料的类型和特质做出了归纳总结。 1.2 陶瓷基复合材料 就目前的集中超高温材料的分类而言。各种材料中，难熔金属是最早被材料研究领域开始研究并且广泛应用于各种制造业领域的超高温材料。陶瓷基复合材料的核心理念就是最大化节约提高材料的耐高温程度。同时，解决了自然环境污染，陶瓷基复合材料也对这个工业污染提出了一定的解决措施。整个建设材料的过程中，尽可能使用超高温材料，在材料的使用数量上尽可能降低到最小化。由于材料材料对周围自然环境造成的灰尘和噪音污染等，在合理的范围内尽可能降至最低水平。以满足市民的生活需求，保障制造业经济利润的同时为生态环境做出应用的贡献，所设计规划出来的产品更加凸显了可持续发展的生态意义。陶瓷基复合材料，不仅仅是材料技术的代表，更是一种新的技术发展思想。这种新的材料技术应用于多个生产领域中，是基于可持续发展的前提下，为市民的生产生活打造更好的基础。 1.3 金属间化合物 金属间化合物的另一个学术名字是中间相，是合金中除固溶体之外的第二类重要合金相。这是一种介于金属合金和陶瓷之间的一类材料。金属间化和为的脆性相较于陶瓷较低，但是与金属相比其熔点又是很高的。陶瓷基复合材料就是最大程度的利用一切可再生的自然资源、半成品资源以及生态资源。将陶瓷基复合材料与传统的材料设计相结合，将可再生资源的使用达到最高效的程度，尽可能对材料物的陶瓷基复合材料化以及熔点的控制应用做到最好的，做出对材料进行科学规划、材料使用区域内的水资源进行节约设计，对材料材料进行回收再利用等。不同的地域类型相对应的经济发展情况也是有区别的，不同地区的人民对材料的居住需求也不太相同。只有在了解自己城市的实际情况之后才能对城市的陶瓷基复合材料化建设作出合理的技术优化结合。技术人员要从综合角度出发，考虑环境与材料的整体效益。 1.4 陶瓷基复合材料 基于我们长久以来对于陶瓷的特点了解，陶瓷的熔较高、结构密度较低、材料整体的硬度也相对较高等优点。这些优点能够使陶瓷作为超高温材料的基础材料进行研究开发。陶瓷基复合材料建设技术与原有材料设计的优化结合，要能够有效的融合，而不是生搬硬套一些简单的指标敷衍了事。具体的技术要结合自己原有材料物的设计结构进行优化，保证材料物的整体性。对陶瓷基复合材料材料的设计中，要严格按照相关的材料标准进行设计，同时尽可能完善设计的各项标准范围。陶瓷基复合材料材料物的材料与室外材料的设计标准规范了材料的标准；对产品整体要有明确的规定，建造过程要合理节约水资源。这些严格的标准对陶瓷基复合材料理念的落实有了制度的保证，有引导作用。针对不同产品物的居住性能，技术人员基于自身城市的实际运转状况，以可持续发展战略原则为宏观宗旨，维护现有的生态环境，节约更多的自然资源。陶瓷基复合材料产品技术的各个环节都要结合城市的自然环境状况和基础设施建设情况进行研究，降低材料的生产总成本，减少自然资源的使用量。在建造陶瓷基复合材料产品项目的过程中，积极利用现代科学技术，把先进的科技融入到产品设计的过程中。顺延“科学技术是第一生产力”，利用先进技术，减少不可再生资源的使用，提高可再生资源的利用率。 1.5 碳 /碳复合材料 碳 /碳复合材料是一种以碳为主要主体的材料，这是一种有由碳纤维或其制品 (碳毡或碳布)增强的复合材料所组合而成的。首先，在进行产品的技术优化之前，要做好充足的准备工作，对产品的基础资料有全方位的了解。深度分产品物自身对于自然界的光、电资源以及太阳能资源的利用程度。从而针对性的加大在产品设计中碳 /碳复合材料产品技术的应用力度，确保产品技术与可再生资源之间的良性循环。这种方法就是在产品物的源头削弱了不必要的材料浪费问题，将产品的总成本控制在可接受的范围内。其次，针对碳 /碳复合材料产品的总平面，进行合理设置。找到影响产品物规划设计的因素，明确进行碳 /碳复合材料产品技术融合的切入点。 2超高温材料的应用