2022年高温结构陶瓷的分析研究与应用.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 高温结构陶瓷的讨论与应用xx1,xx2 1xx 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；通过对这些材料的讨论,展望这些材料的进展情形；关键词： 高温结构陶瓷；特性；应用1. 引言 广泛的进展空间；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2、高温结构陶瓷种类、相应的特性及讨论进展2.1 氮化硅陶瓷 氮化硅是国外从五十岁月中期发 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温结构应用 , 无机非金属新材料具有能明显优于一般氧化物陶瓷, 它受到明显的优越性；高温结构陶瓷不但性 能好 , 而且比重小 , 在空间科学和军事 技术的很多场合 , 它往往是唯独可用 的材料；高温结构陶瓷将有非常广泛 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各国陶瓷科学家的留意；纷纷绽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 就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形就很好；氮化硅陶1 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 瓷在热机及汽车工业上巳有很多重要换器 , 用于太阳能电站中收集热能, 或应用 , 前景美好；利用氮化硅的高强用于热机及工业窑炉中回收废热；例度、耐磨损、耐腐蚀性能 , 仍可在热 如有一种开槽锻炉 , 采纳碳化硅热交机以外的领域得到很多应用；在机械 换器后在 1300运行 , 嫩料消耗可减工 业 上 , 氮 化 硅 陶 瓷 可 用 作 切 削 工 少 42%,在碳化硅中添加 2%氧化镀后具、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、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泵、阀门、管道等以及测量铝液温度,用作大规模集成电路的基板, 解决因的热电偶套管；在生物医学工程上集成度愈来愈高而产生的散热问题；可用来制造人工关节和人造骨等；此外 , 利用碳化硅耐放射性元素辐照2.2 碳化硅陶瓷的 特 性 , 仍 可 以 制 成 核 燃 料 包 封 材碳化硅是除氮化硅外的另一类重料 、 核 聚 变 反 应 护 的 第 一 壁 材 料要的非氧化物高温结构陶瓷；与氮化 等；硅相比 , 碳化硅陶瓷的室温强度稍低 , 2.3 增韧氧化陶瓷但其强度随温度的上升降低很少 , 并 增韧氧化物是国外近十年来才研可始终保持到 1600 一 1700；碳化 制成的一类高温结构陶瓷 , 但进展十硅的蠕变小、抗氧化性好、耐磨损、分迅猛 , 这类陶瓷含有肯定数量的细耐腐蚀性能均优于氮化硅陶瓷；但碳分散相变物质 , 当受到外力作用时, 这,化硅的热导串高, 断裂韧性小；碳化些细分散物质会发生相变而吸取能量硅陶瓷适合于制作燃气轮机热流通道使裂纹扩展减慢或中止, 从而大幅度部件 , 特殊是需要有良好导热性的如提高材料的韧性；目前最常用的相变热交换器等；碳化硅与氮化硅陶瓷各 物质是氧化锆；有所长 , 不能相互取代；在将来的热 机中 , 将会同时采纳多种高温结构陶氧化锆增韧氧化锆陶瓷又称为部 分稳固氧化锆 <PSZ）；氧化锆由于从瓷, 而不是单一的某种陶瓷；四方相转变到单斜相时要产生4%的体除热机外 , 碳化硅陶瓷仍有重要积变化 , 不能制成没有缺陷的纯氧化应用；利用其耐磨性 , 可以制作多种 锆材料 , 一般都要添加碱土金属氧化能在恶劣环境下使用的机械泵密封 物或稀土元素氧化物 , 使之与氧化错环；利用导热性 , 可以制成多种热交 生成稳固的立方相固溶体 , 就可以不2 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 发生相变而做成有用的材料, 即稳固陶瓷复合材料的韧性要比一般陶瓷高的氧化锆；假如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几个数量级 , 可以承担猛烈的机械振 动和温度激变；作为大热流、短时间化锆都生成稳固的立方相 , 而只能使 和 1500以上高温下的使用 , 纤维补一部分氧化锆稳固 , 另一部分以四方 强陶瓷复合材料巳胜利地用作洲际导相的形式存在 , 这种材料就叫作部分 弹的端头帽、回收人造卫星前缘、各稳固氧化锆；这种陶瓷受到外力作用种火箭发动机尾喷管喉衬和航天飞机时 , 那部分未稳固的四方相氧化锆会 的防热瓦；在这方面的应用上 , 几乎产生相变而起增韧作用 , 使材料的强 没 有 其 他 材 料 可 以 取 代 ； 近 年 来 ,度和韧性成倍地提高；除了常温下使 用外 , 部分稳固氧化锆巳成为绝热柴日、法、美等国仍在致力于讨论能在 各种新型发动机中使用的纤维补强陶油机主要的候选材料；氧化铬陶瓷的 瓷复合材料 , 要求能在空气中 1200导热系数比氮化硅低五分之四 , 膨胀 以上的高温下运行几千小时；由于缺曲线与铸铁和铝接近 , 用这种陶瓷制 乏能在空气中长期使用而高温性能又成的部件 , 与其他金属部件连接较简 不衰退的纤维 , 这方面工作进展仍不单 , 热导率低就可达到更好的绝热效 大；果 , 因此是制作绝热柴油机活塞顶、3. 高温结构陶瓷制造工艺研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究进展 3.1 氮化硅陶瓷陶瓷为基体、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、高弹最大的特点是 , 当受到外力作用时, 陶性模量、耐磨、耐蚀、抗氧化等优良瓷基体中的纤维能够分担外加负荷,性能；莫氏硬度9；Si3N4 是共价键不致于一下子集中到裂纹的尖端上；化合物,属六方晶系,存在 型和 同时 , 裂纹在这类材料中扩展而遇到 纤维时 , 要把纤维折断或从基体中拨型两种晶型； Si-N 间的键合强度高,犯难烧结物质；氮化硅粉通常由硅粉出才能连续前进, 从而消耗很大的能氮化法获得；采纳反应烧结、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；氮童, 使裂纹很难扩展；因此, 纤维补强3 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 化硅陶瓷性能与其制备方法亲密相缺陷少、弯曲强度为243MPa、断裂韧关 , 一 般 室 温 强 度 可 达 700 性 值 为 6 43MPa； 、 热 导 率 为1000MPa,高温强度受晶界玻璃相影 1253wm·K>的 SiCSiC 复合材响；氮化硅陶瓷的优异性能使其在许 料；其与反应烧结的 SiCRB-SiC>陶多领域得到应用并有很多潜在的用 瓷的性能列于表 1；目前,反应烧结途；在陶瓷发动机中,用来制备定 SiC 陶瓷制品主要有英国的 UKAEA的子、转子、蜗形管等部件；在冶金、Refel-SiC 和美国 Carborundun 公司化学、机械、电子和军事工业上也有的 KT-SiC；国内在山东有数家厂家采广泛的应用；用反应烧结制备 SiC 陶瓷,生产工艺3.2 碳化硅陶瓷 成熟,产品性能稳固；反应烧结 SiC 是利用含 C 粉和 3.3 增韧氧化陶瓷SiC 粉成型体与气相或液相 Si 在高温 注射成型最早应用于塑料制品的成型下反应得到 SiC 的烧结体；其烧结过 和金属模的成型；此工艺是利用热塑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,得到致密且收缩微小的烧结体,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,为了削减材料的结构缺陷并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 <几提高材料的性能,讨论者通过不断十到上百MPa）注入模具成型；由于改进成型方式和改善工艺,提高反应成型压力大,得到的坯体尺寸精确,烧结的性能；刘红等_j将熔融态的光滑度高,结构致密；采纳特地的成Si 通过毛细作用渗入坯体中与碳粉反型装备,使生产效率大大提高；应,新生成的SiC 将原先的 SiC 晶须上世纪七十岁月末八十岁月初开和 SiC 结合在一起,得到致密度高、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4 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 来实现瘠性物料的塑性成型,是陶瓷CFCC；泥浆浸渗 / 热压法工艺过程如可塑成型工艺中最普遍的一种；在注 图所示射成型技术中,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）,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 , 随着粘或者水溶性的聚合物作为主要的粘结结剂的挥发、逸出, 将发生基体颗粒,剂以外,仍必需加入肯定数量的增塑的重新分布、烧结和粘结流淌等过程剂、润滑剂和偶联剂等工艺助剂,以 改善陶瓷注射悬浮体的流淌性,并保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证注射成型坯体的质量；注射成型工 基复合材料方面取得了较好的成效 ,艺具有自动化程度高、成型坯体尺寸 但是泥浆浸渗 / 热压法存在以下不足精密等优点；但注射成型陶瓷部件的 而使其应用范畴受到限制 : 只能制得生坯中有机物含量多达 50vol ,在 一维或二维纤维强化复合材料 , 制造后续烧结过程要排除这些有机物需要三维材料时 , 因热压使纤维骨架受到很长时间,甚至长达几天到数十天,损耗；由于工艺的局限, 难以制得形而且简单造成质量缺陷；因此,排胶状复杂的大型构件；始终是制约其应用的一个关键环节,4. 终止语至今尚未完全突破；2.4 纤维补强陶瓷复合材料 浆料浸渍热压法：这种方法是最高温结构陶瓷的讨论和进展,与金属 材料相比；究竟仍比较年轻,无论是 材料开发,仍是理论讨论仍很不深化早用于制备CFCC的方法 , 也是制备低和成熟应用范畴仍很局部；但是从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近几年的快速进展来看；它隐含着极 大的潜在力气,世界各国都给以极大粘结剂的泥浆中, 将浸有浆料的纤维的关注,并投入巨额经费以加速这方缠绕于滚筒上 , 制成无纬布 , 经切片、叠加、热模压成形和热压烧结制备出面的讨论；我们在这些材料的特性中5 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 也可以看到这种材料的用途是非常的 广泛,应用的地方也是特殊的高端 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 ,“ 高性能陶觉材料的进展趋应用这种材料不限于金属与陶瓷的势” ,1989 复合,仍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5“ 高性能陶党讨论现状及应用前献；工程陶瓷材科,景”座谈会记要 ,2022 参考文献6 樱井良文、小泉光惠等编, 陈俊1金志浩,周敬恩,彦、王余君译新型陶瓷一一材料及其机槭工业出敷社, 1986年2 严 东 生 , 材 料 科 学 与 工 程 ,71989>1 3加藤昭夫,山口桥,新 陶瓷粉体 1983>日> 应 用 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ,1986；55>:23 6 / 6 名师归纳总结 - 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