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特種陶瓷材料與航天

2018-01-19 14:58:45 作者：本網整理來源：百度文庫分享至：

1前言

特種陶瓷不同的化學組成和組織結構決定了它不同的特殊性質和功能，如高強度、高硬度、高韌性、耐腐蝕、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、光電、電光、聲光、磁光等。現代科學技術，特別是宇航、航空、電子及軍工等尖端科學技術高速發展對材料提出新的要求，尤其是宇航工業對材料的要求更為苛刻。首先是要求材料性能穩定，同時具有重量輕、耐高溫、耐沖刷、抗輻射等綜合的優良性能。高性能陶瓷涂層由此應運而生。陶瓷涂層是在傳統的陶瓷材料基礎上發展起來的新型復合材料，它即保持了傳統陶瓷材料的耐高溫、抗磨損、耐腐蝕等優點，同時保持了基體材料的結構強度，由于陶瓷涂層的厚度通常都在一毫米之內，大大地減少了零件的消極重量，其抗熱沖擊性能優于整體陶瓷。

2航天器中的陶瓷材料

陶瓷基復合材料在航空發動機中有很重要的應用，為什么用陶瓷？

因為現有發動機的工作溫度已經很高。再度提高溫度只有通過精細的冷卻氣路設計或加大冷氣量，但這些方法的效果遵循遞減規律，而只有通過改進材料的工作溫度收效最大，因為提高工作溫度可提高工作效率、降低油耗并獲得更大推力，把節省的、用于冷卻的高壓空氣用于循環也可提高推力和效率。另一方案是減輕重量。可選用比強度、比剛度均大的材料，目前只有陶瓷材料具有這兩方面的潛力。

陶瓷基復合材料比高溫合金的密度小，熱膨脹系數小，抗腐蝕性好，理論最高溫度可達1650℃。由于陶瓷基部件不需要氣體冷卻省去或簡化了冷卻系統零件，可使發動機進一步減重。雖然陶瓷作為發動機熱端結構材料的優點十分明顯，但其本質上的脆性卻極大地限制了它的推廣應用。為了克服單組分陶瓷材料缺陷敏感性高、韌性低、可靠性差的缺點，材料科學工作者進行了大量的研究以尋找切實可行的增韌方法，增韌的思路經歷了從“消除缺陷”或減小缺陷尺寸、減少缺陷數量，發展到制備能“容忍缺陷”，即對缺陷不敏感的材料。

近年，C/C復合材料作為宇宙飛行器結構材料得到了人們的承認，并已成功地用于制造航天飛機的鼻錐、機翼前緣及其他高溫部件，在航天飛機防熱非常強烈不宜用陶瓷的部位使用C/C作防熱瓦，C/C還用于制造飛機上的制動器，使飛機的重量顯著減輕。為了防止氧化，可采用涂層陶瓷對航天飛機上的C/C施加保護或用浸噴法使C/C防氧化壽命大大提高。陶瓷纖維補強金屬或金屬補強陶瓷復合材料用于空間渡船的前錐體和翼前沿，可耐2200℃高溫。美國格魯曼公司預定在跨大氣層高音速飛機的機翼和尾翼采用C/C復合材料，發動機進口、噴管和噴口采用陶瓷復合材料；歐洲也計劃在“赫爾姆斯”航天飛機軌道器的高溫部位采用SiC/SiC復合材料。多次回收使用是提高航天器效益的有效手段，這需要可重復使用的再人防熱系統能耐受l600-1800℃。

3未來航空發動機及其材料

未來發動機的目標目前軍用和民用發動機設計一直依賴金屬材料，并對其繼續研究以使其性能進一步提高。為了滿足下一世紀發動機性能變化的要求，就要使設計、材料和生產技術進行重大的改變。發動機的機械構造要比現有的類型更加簡單，部件更少，在更高的渦輪人口溫度和組件負荷下運行，其可靠性和組件壽命也要提高。要達到這一目標就要靠材料性能和設計水平的提高，如高效率的空壓機和渦輪等，而降低重量和燃料消耗是關鍵所在。英國一家航空公司指出，在遠程波音飛機上每降低一磅重量就相當在每年的飛行中獲利500英鎊。渦輪材料必須在抗拉強度、蠕變阻力、低和高循環疲勞、耐高溫腐蝕和耐沖擊損傷等方面滿足要求。采用熱性能更好的陶瓷材料可以減少對冷卻空氣的需要量，并明顯地提高氣體溫度。在能提供的眾多整體陶瓷中，氮化硅和碳化硅對燃氣渦輪發動機具有最大的潛力。這類材料在1000℃以上時比鎳基耐熱合金具有更高的強度、更好的蠕變強度和抗氧化性，而且很便宜，還有就是比重小，僅為耐熱合金的40% 。

陶瓷的缺點是脆性，容易出現裂縫，可塑性較差。這種脆性是其晶體形態在應力下不允許位移或移動引起的。如果將陶瓷零件用于燃氣渦輪的話，其可靠性至少要與其取代的零件一樣才行。為解決這一問題，在最近幾年中采用了兩種方法，并取得了相當大的進展。（1）控制陶瓷的脆性和研究裂縫及其與強度的關系等斷裂微觀機理。與此有關的統計方法和無損檢驗技術已可能用于鑒定強度和零件壽命等的設計要求。（2）鑒別限制強度的缺陷的根源和研究將其消除的方法。這并非象聲波探測那樣容易，因為陶瓷在一般應力下的極限缺陷大小為金屬材料的1/100。

4結論

陶瓷材料既是最古老的傳統材料，又是最年青的近代研究成果。它和金屬材料、高聚物材料一起，構成了工程材料三大支柱。隨著陶瓷脆性的克服，陶瓷材料潛在性能優勢的開發，必將為航天航空工業的發展作出重要貢獻。

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