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結構陶瓷:極端環境領域最具潛質的優質材料

結構陶瓷:極端環境領域最具潛質的優質材料

編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2023-05-26


結構陶瓷憑借其優異的力學性能及熱學性能成為陶瓷材料的重要分支,約占整個陶瓷市場的30%左右。

近二十年來,國家重大工程和尖端技術對陶瓷材料及其制備技術也提出了更高的要求和挑戰: 例如航天工業火箭發射中液氫液氧渦輪泵用的氮化硅陶瓷軸承在低溫極端條件下無滑狀態下高速運轉,要求陶瓷抽承強度高、初性好、耐磨損、表面加工精度高;核電站主泵用的大尺寸陶瓷密封環需要長壽命高可靠性,特別是地球衛星拍攝地面目標的對地監測使用的碳化硅陶瓷反射鏡,除了高彈性模量、低熱膨脹系數和輕量化,要求高精度超鏡面和大尺寸,這對大尺寸結構陶瓷材料的成型技術、燒結技術、加工技術都是一個挑戰;而光通訊中的光纖連接器陶瓷插芯,其內孔為 125 微米,并且要求極高的表面光潔度與尺寸精度及同心度。

力學性能方面,高熔點及使用溫度范圍廣奠定了陶瓷材料在結構領域中的應用基礎。

有機材料大多是分子鍵結合,金屬材料則以金屬鍵結合為主,陶瓷材料主要以離子鍵及共價鍵結合,因而陶瓷材料熔點相較最高。同時陶瓷材料在承受載荷的長期使用溫度也均穩定在 1000℃以上,相較金屬材料中,當前使用溫度最高的為高溫合金,其使用溫度為 1200℃以下,承受載荷情況時使用溫度在 1000℃以上。

陶瓷耐高溫特性:

相比有機材料及金屬材料,陶瓷材料具有更高的熔點

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陶瓷耐高溫特性:

絕大多數金屬使用溫度低于1000℃, 但大部分陶瓷材料使用溫度均在1000℃以上

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此外,高強度及耐磨性能使得陶瓷材料在結構領域選材中脫穎而出。 相較有機材料及金屬材料,在相同密度、比剛度及成本情況下,陶瓷材料的強度最強,因而決定了陶瓷材料可以更好適用于更加苛刻的環境中,此外,經中南工大粉末冶金研究所測定,陶瓷材料耐磨性相當于錳鋼的 266 倍,高鉻鑄鐵的 171.5 倍。

陶瓷材料高強度特性:

相同密度情況下,陶瓷材料強度最高

 

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陶瓷材料高強度特性:

陶瓷材料兼具高強度及高比剛度雙重特性

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陶瓷材料高強度特性:

相同成本情況下,陶瓷材料強度最高

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陶瓷材料耐磨性能:

耐磨性相當于錳鋼的 266 倍,高鉻鑄鐵的 171.5 倍

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陶瓷材料耐磨特性:

相比有機材料及金屬材料,陶瓷材料具有更高的彈性模量

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熱學性能方面,良好的導熱性能、熱膨脹性能及抗熱震性使得陶瓷材料在許多應用領域有著金屬等其它材料不可替代的地位。

相比于有機材料,陶瓷材料及金屬材料的導熱性能更好,但在高溫情況下,陶瓷材料的熱膨脹系數及熱應力斷裂抵抗因子低于金屬材料,意味著陶瓷材料在高溫情況下可以經受住較大的熱沖擊,是極端環境中最佳材料。

陶瓷材料熱學特性:

相比有機材料及金屬材料,陶瓷材料具有更高的熱導率

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陶瓷材料熱學特性:

陶瓷材料擁有優異的熱膨脹系數

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陶瓷材料熱學特性:

陶瓷材料擁有優良的抗熱沖擊斷裂性能

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陶瓷材料缺點:

相較金屬材料,陶瓷材料較脆

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結構陶瓷材料的致命弱點是脆性。

目前結構陶瓷材料的研究及開發已從原先傾向于單相和高純度的特點向多相復合的發向發展,其中包括纖維(或者晶須)補強的陶瓷基復合材料、自補強陶瓷材料及納米復相陶瓷等等,使得結構陶瓷材料性能得到了極大的改觀。

陶瓷材料缺點:

斷裂韌性較其他材料小,表征為脆性

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