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新材料 ▏特种陶瓷材料与航天

日期: 2018-12-28
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特种陶瓷 ▏材料与航天


导语:

新材料是发展高新技术的物质基础,也是改造传统产业的必备条件,因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域之一。特种陶瓷是新材料的一个组成部分,由于它具有其他材料所没有的各种优良性能,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料。在航天科技发展方面,耐高温陶瓷材料更是占有了举足轻重的位置。

新材料 ▏特种陶瓷材料与航天

1、前言


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,如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。现代科学技术,特别是宇航、航空、电子及军工等尖端科学技术高速发展对材料提出新的要求,尤其是宇航工业对材料的要求更为苛刻。首先是要求材料性能稳定,同时具有重量轻、耐高温、耐冲刷、抗辐射等综合的优良性能。高性能陶瓷涂层由此应运而生。陶瓷涂层是在传统的陶瓷材料基础上发展起来的新型复合材料,它即保持了传统陶瓷材料的耐高温、抗磨损、耐腐蚀等优点,同时保持了基体材料的结构强度,由于陶瓷涂层的厚度通常都在一毫米之内,大大地减少了零件的消极重量,其抗热冲击性能优于整体陶瓷。

新材料 ▏特种陶瓷材料与航天




2、航天器中的陶瓷材料


陶瓷基复合材料在航空发动机中有很重要的应用,为什么用陶瓷?

因为现有发动机的工作温度已经很高。再度提高温度只有通过精细的冷却气路设计或加大冷气量,但这些方法的效果遵循递减规律,而只有通过改进材料的工作温度收效最大,因为提高工作温度可提高工作效率、降低油耗并获得更大推力,把节省的、用于冷却的高压空气用于循环也可提高推力和效率。另一方案是减轻重量。可选用比强度、比刚度均大的材料,目前只有陶瓷材料具有这两方面的潜力。

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陶瓷基复合材料比高温合金的密度小,热膨胀系数小,抗腐蚀性好,理论最高温度可达1650℃。由于陶瓷基部件不需要气体冷却省去或简化了冷却系统零件,可使发动机进一步减重。虽然陶瓷作为发动机热端结构材料的优点十分明显,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,增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减小缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。

近年,C/C复合材料作为宇宙飞行器结构材料得到了人们的承认,并已成功地用于制造航天飞机的鼻锥、机翼前缘及其他高温部件,在航天飞机防热非常强烈不宜用陶瓷的部位使用C/C作防热瓦,C/C还用于制造飞机上的制动器,使飞机的重量显著减轻。为了防止氧化,可采用涂层陶瓷对航天飞机上的C/C施加保护或用浸喷法使C/C防氧化寿命大大提高。陶瓷纤维补强金属或金属补强陶瓷复合材料用于空间渡船的前锥体和翼前沿,可耐2200℃高温。美国格鲁曼公司预定在跨大气层高音速飞机的机翼和尾翼采用C/C复合材料,发动机进口、喷管和喷口采用陶瓷复合材料;欧洲也计划在“赫尔姆斯”航天飞机轨道器的高温部位采用SiC/SiC复合材料。多次回收使用是提高航天器效益的有效手段,这需要可重复使用的再人防热系统能耐受l600-1800℃。




3、未来航空发动机及其材料


未来发动机的目标目前军用和民用发动机设计一直依赖金属材料,并对其继续研究以使其性能进一步提高。为了满足下一世纪发动机性能变化的要求,就要使设计、材料和生产技术进行重大的改变。发动机的机械构造要比现有的类型更加简单,部件更少,在更高的涡轮人口温度和组件负荷下运行,其可靠性和组件寿命也要提高。要达到这一目标就要靠材料性能和设计水平的提高,如高效率的空压机和涡轮等,而降低重量和燃料消耗是关键所在。英国一家航空公司指出,在远程波音飞机上每降低一磅重量就相当在每年的飞行中获利500英镑。涡轮材料必须在抗拉强度、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。采用热性能更好的陶瓷材料可以减少对冷却空气的需要量,并明显地提高气体温度。在能提供的众多整体陶瓷中,氮化硅和碳化硅对燃气涡轮发动机具有最大的潜力。这类材料在1000℃以上时比镍基耐热合金具有更高的强度、更好的蠕变强度和抗氧化性,而且很便宜,还有就是比重小,仅为耐热合金的40% 。

陶瓷的缺点是脆性,容易出现裂缝,可塑性较差。这种脆性是其晶体形态在应力下不允许位移或移动引起的。如果将陶瓷零件用于燃气涡轮的话,其可靠性至少要与其取代的零件一样才行。为解决这一问题,在最近几年中采用了两种方法,并取得了相当大的进展。(1)控制陶瓷的脆性和研究裂缝及其与强度的关系等断裂微观机理。与此有关的统计方法和无损检验技术已可能用于鉴定强度和零件寿命等的设计要求。(2)鉴别限制强度的缺陷的根源和研究将其消除的方法。这并非象声波探测那样容易,因为陶瓷在一般应力下的极限缺陷大小为金属材料的1/100。

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4、结论 

陶瓷材料既是最古老的传统材料,又是最年青的近代研究成果。它和金属材料、高聚物材料一起,构成了工程材料三大支柱。随着陶瓷脆性的克服,陶瓷材料潜在性能优势的开发,必将为航天航空工业的发展作出重要贡献。



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