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优势突出!陶瓷材料在军工领域的卓越应用

时间:2023-12-01 14:03

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                                                                  一. 先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分

      陶瓷是以粘土为主要原料,并与其他天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品,是陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的各种制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物,因 此它与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属于“硅酸盐工业”的范畴。

      广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料,即无机非金属材料。陶瓷制品的品种繁多,它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质,以及制 造方法,常常互相接近交错,无明显的界限,而在应用上却有很大的区别。因此,很难硬性地把它们归纳为几个系统,详细的分类法也说法不一,到现在国际上还没有一个统一的分类方法。按陶瓷的制备技术和应用领域分类,可分为传统陶瓷材料和先进陶瓷材料。

      传统陶瓷传统意义上的陶瓷是指以粘土及其天然矿物为原料,经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品,通常会被称为"普通陶瓷 "或传统陶瓷,例如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷。

      先进陶瓷:按化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能,具有电气性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点,主要包括绝缘和介质陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体及其敏感陶瓷等;结构陶瓷主要基于材料的力学和结构用途,具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点。

                                                          二. 活跃在军工装备中的先进陶瓷材料

功能陶瓷在先进陶瓷中约占70%的市场份额,其余为结构陶瓷。陶瓷材料的军工应用则主要集中在结构材料及电子器件方面:

1. 用于航空发动机及飞机刹车盘

       对于航空发动机来说,提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径,但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点,温度上升空间很小,因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性,可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。同时陶瓷基复合材料密度小,有利于发动机减重。随着民用航空业对提高燃油效率的不断追求,通用航空GE预计在今后十年陶瓷基复合材料在航空中的应用将增长十倍。

2. 用在飞机刹车盘材料

碳陶刹车盘与上一代刹车盘相比,静摩擦系数提高1-2倍,湿态摩擦性能衰减降低60%以上,磨损率降低50%以上,使用寿命提高1-2倍。生产周期降低2/3,生产成本降低1/3,能耗降低2/3,性价比提高2-3倍。是目前国际上发现唯一能在1500℃高温环境下,各项物理性能不发生衰减的材料。推广应用后,每年可为中国民航客机节约成本3亿元左右。

3.  用于火箭发动机热结构件

       陶瓷基复合材料可用于火箭发动机中。由于陶瓷基复合材料耐热冲击性高,对液体推进剂化学稳定性高,比金属材料耐高温,具有较高的抗蠕变性,是一种理想的液体火箭发动机热结构件材料。

4. 用于航天飞行器和导弹的热防护材料

      航天飞行器在进入大气的过程中,由于强烈的气动加热,飞行器的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃,热防护系统是航天飞行器的关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用放热-结构分开的思想,即冷却结构外部加放热系统。C/SiC复合材料的发展,使飞行器的承载结构和放热一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系统失效造成的机毁人亡事件后,使C/SiC陶瓷基复合材料更受关注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。

5. 用于卫星反射镜

       卫星反射镜材料的性能要求是密度低、比刚度大、热膨胀系数CTE低、高导热性以及适当的强度和硬度、可设计性等。玻璃反射镜和金属反射镜加工成大型轻型反射镜都有一定的局限性。因此,国内外都正在研究C/SiC复合材料反射镜,该复合材料密度较低,刚度高,在低温下热膨胀系数小及导热性能良好,热性能和力学性能都比较理想,而且可以得到极好的表面抛光,是一种十分理想的卫星反射镜基座材料。美国、俄罗斯、德国、加拿大等利用碳纤维增强碳化硅复合材料(Cf/SiC)制备出高性能反射镜。

6. 陶瓷材料及陶瓷基复合材料会被用在装甲中

       如防弹衣、战机和装甲车的防护层等。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成,防弹层可吸收弹头或弹片的动能,对低速弹头或弹片有明显的防护效果,在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害。热压碳化硼和碳化硅陶瓷基复合材料可以用于制造坚固的抗击打的盔甲板。我国是世界上三大的防弹衣生产国,在国际市场上,我国防弹衣价格大约500美元左右,而其他国家的防弹衣价格在800美元左右,在制造成本方面我国存在优势。

7. 用在飞机装甲方面

      一些军用直升机均装配有包括陶瓷装甲座椅、陶瓷组件和陶瓷面板系统等部件在内的陶瓷装甲系统。此外,陶瓷基复合材料还应用在陆军的装甲战车上,如斯特瑞克中型装甲车。

8. 用于信息化电子器件
        军用陶瓷电容器需求旺盛。电子陶瓷除了在民用领域被广泛应用,随着武器装备信息化的加速,如陶瓷电容器这类电子陶瓷在军工领域的需求不断增大,尤其是片式多层瓷介电容器(MLCC,市占率超过90%),而军用市场对电容器质量要求较高,中国军用陶瓷电容器市场规模常年保持10%以上的增长。