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| 陶瓷材料解析【新型陶瓷的特性與應(yīng)用】 | |||||||||||||||||||||
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新型陶瓷，由于不同的化學(xué)組分和顯微結(jié)構(gòu)而決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強(qiáng)、高硬、耐溫、耐腐、絕緣、導(dǎo)電和各種電、磁、光及生物相容性等，陶瓷材料的這些性能，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、宇航、醫(yī)學(xué)工程等各個(gè)方面，成為近代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，通過(guò)對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)，新型陶瓷材料的各種特性得到了充分的體現(xiàn)，表1列出了目前已被人們所掌握和利用的新型陶瓷材料的主要特性。
陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域 1、航空航天材料
當(dāng)前,耐高溫材料已經(jīng)成為航天材料中的優(yōu)先發(fā)展方向，材料在高溫下的應(yīng)用對(duì)航天技術(shù)特別是固體火箭等領(lǐng)域具有極其重要的推動(dòng)作用。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，氣體渦輪機(jī)燃燒室中燃?xì)獾臏囟纫笤絹?lái)越高，固體火箭的工作環(huán)境十分惡劣，加上燃燒室噴管、喉襯、渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等部件都需用高溫材料，均已超過(guò)金屬和超合金的耐熱極限而必須采用冷卻系統(tǒng)，這勢(shì)必降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部和其它熱端部件提高效率的追求，已經(jīng)對(duì)未來(lái)高溫材料提出了更高、更迫切的要求，并更緊密地依賴于高溫材料的研究開(kāi)發(fā)，而陶瓷及其陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，是有希望替代金屬材料而用于熱機(jī)部件的候選材料。為此，世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展對(duì)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，美、歐、日等越來(lái)越多的氣體渦輪機(jī)設(shè)計(jì)者們開(kāi)始用陶瓷基復(fù)合材料來(lái)制作旋轉(zhuǎn)件和固定件。
當(dāng)前對(duì)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的研究主要集中于碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、氧化鋁（Al2O3）和氧化鋯（ZrO2）等，尤其以氮化硅（Si3N4）高溫結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目。這類陶瓷的綜合性能較突出，它們有良好的高溫強(qiáng)度，已經(jīng)在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等方面得到了應(yīng)用，非常適于制作航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片等高溫受力部件。目前，國(guó)外已把氮化硅（Si3N4）陶瓷材料作為高溫結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，在軍用和民用領(lǐng)域進(jìn)行廣泛、重點(diǎn)的研究與開(kāi)發(fā)。
2、陶瓷軸承 陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，由于具有金屬軸承所無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，近十多年來(lái)，在國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。在航空航天、核工業(yè)、石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輕紡工業(yè)、食品工業(yè)、高速機(jī)床等高溫、高速、耐腐蝕、真空、電絕緣、無(wú)磁、干摩擦的特殊環(huán)境下，陶瓷軸承的作用正在被人們逐漸地認(rèn)識(shí)。
隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，工藝水平的日益提高，陶瓷軸承的成本不斷下降，已經(jīng)從過(guò)去只在一些高、尖領(lǐng)域小范圍內(nèi)應(yīng)用，逐步推廣到可以接受的程度，陶瓷軸承全面應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。陶瓷軸承突出的效果是較大幅度地提高了軸承的使用壽命和極限轉(zhuǎn)速，為發(fā)展高速和超高速、高精密機(jī)床提供了基礎(chǔ)零部件。除此以外，在高溫、腐蝕、絕緣、真空等行業(yè)的應(yīng)用也已取得了良好效果，可在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等一些高腐蝕性介質(zhì)中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。近來(lái)，與半導(dǎo)體制造裝置和計(jì)算機(jī)的CD-ROM及其硬盤等與信息工業(yè)相關(guān)的陶瓷軸承需求量不斷增加.當(dāng)今世界上的軸承企業(yè)無(wú)一不在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)陶瓷軸承，而產(chǎn)品質(zhì)量的高低，已成為衡量其企業(yè)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。
3、汽車零部件 為滿足汽車功能多樣化的要求，人們把更多的目光寄希望于特種陶瓷。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師一直在尋找降低成本和排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性和性能的替代方法。改進(jìn)汽車設(shè)計(jì)的一種方法是通過(guò)材料的替換。陶瓷可以作為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)中許多關(guān)鍵部件的使用技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性，重量輕以及電絕緣和隔熱性能。
陶瓷從一開(kāi)始就在汽車中起到了重要作用，主要用于火花塞絕緣體和玻璃窗上。現(xiàn)代汽車中幾乎多有的催化轉(zhuǎn)化器都具有用于催化劑的陶瓷蜂窩狀載體，這在減少汽車廢氣排放方面是非常有用的。大多數(shù)現(xiàn)代汽車還使用陶瓷氧傳感器與計(jì)算機(jī)控制一起優(yōu)化燃燒和減少?gòu)U氣排放。
計(jì)算機(jī)控制和汽車中的其它電子設(shè)備使用大量的陶瓷襯底，并對(duì)器件的性能至關(guān)重要的部件。此外，在現(xiàn)代汽車中使用許多電動(dòng)機(jī)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅窗戶等，在許多這些電動(dòng)機(jī)中都使用了陶瓷磁體。陶瓷部件也被引入到重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)和閥系中。
未來(lái)的汽車可能在內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件中使用陶瓷，在燃料系統(tǒng)的耐磨應(yīng)用中，閥系中的附件部件，例如閥和閥座。未來(lái)還可以使用陶瓷燃料電池用于無(wú)人駕駛汽車上。
4、軍事應(yīng)用 各種陶瓷材料正在進(jìn)入軍用車輛和其他技術(shù)領(lǐng)域。其發(fā)動(dòng)機(jī)部件，導(dǎo)彈雷達(dá)罩和個(gè)人/車輛裝甲只是其中的幾個(gè)應(yīng)用。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，陶瓷已被用于人員和輕型車輛保護(hù)，防止小武器和機(jī)槍威脅。無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外，陶瓷都是這項(xiàng)使命的關(guān)鍵推動(dòng)者。
陶瓷的獨(dú)特特性，包括重量輕、能承受極高溫度、硬度、耐磨性和抗腐蝕性高，低摩擦和特殊的電氣性能，提供了優(yōu)于傳統(tǒng)材料如塑料和金屬的主要優(yōu)點(diǎn)。因此，陶瓷材料是用于中小口徑保護(hù)的輕，耐用的身體護(hù)甲材料。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷與優(yōu)化的復(fù)合結(jié)構(gòu)集成，以生產(chǎn)堅(jiān)固的抗擊打的盔甲板。
另外，宇宙飛船外壁的陶瓷隔熱瓦即為玻璃纖維復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、耐熱、耐沖擊、低熱導(dǎo)等優(yōu)良性能，是理想的軍用隔熱材料。特種陶瓷在導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中也很有用途，在雷達(dá)天線上加裝一個(gè)氣動(dòng)天線罩，可協(xié)調(diào)機(jī)械、熱力、電氣系統(tǒng)的功能，保證導(dǎo)彈正常運(yùn)行。
未來(lái)的陸軍直升機(jī)將能夠飛得更遠(yuǎn)，攜帶更多的有效載荷感應(yīng)陶瓷。由于其高溫性能，可以通過(guò)使用陶瓷基復(fù)合材料和陶瓷熱障涂層來(lái)提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的操作效率。陶瓷具有在1100℃以上的溫度下以小或無(wú)冷卻操作的潛力。復(fù)合材料也比目前使用的金屬合金輕30至50％。當(dāng)復(fù)合材料燃燒器襯套和渦輪葉片應(yīng)用陶瓷涂覆時(shí)，操作溫度增加到1650℃，并且保護(hù)組件免受燃燒環(huán)境的影響。基于氧化鉿的多組分陶瓷涂層在1650℃下能經(jīng)受300小時(shí)試驗(yàn)。
5、醫(yī)學(xué)應(yīng)用 陶瓷和玻璃材料被廣泛的用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，從骨植入到生物醫(yī)學(xué)泵。牙科也已經(jīng)推進(jìn)了陶瓷牙齒，其可以與患者的自然牙齒匹配以及用于改善患者微笑窘境的其他應(yīng)用。在未來(lái)，陶瓷將在基因工程和組織工程中找到應(yīng)用。
在過(guò)去二十年中，用于植入裝置的陶瓷材料的使用已經(jīng)相當(dāng)大的增加。具有強(qiáng)度和韌性以及生物惰性和低磨損率的優(yōu)異組合，稱為氧化鋯的特殊類型的氧化物現(xiàn)在在諸如用于全髖關(guān)節(jié)置換的股骨頭的應(yīng)用中取代氧化鋁。氧化鋯顯示出相當(dāng)于氧化鋁兩倍的強(qiáng)度，因此在股骨頭的直徑可以減少到<26mm，致使髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)期間患者的創(chuàng)傷減少。可受益于氧化鋯植入物的其它應(yīng)用包括膝關(guān)節(jié)、肩、趾關(guān)節(jié)和脊柱植入物，該材料還用于內(nèi)窺鏡部件和起搏器蓋。
陶瓷材料還廣泛的應(yīng)用于電子設(shè)備、光學(xué)、體育等各個(gè)方面，陶瓷材料的發(fā)展隨著人類的發(fā)展不停的進(jìn)行著，尤其是在近幾年，陶瓷材料對(duì)社會(huì)的各個(gè)方面都有著深遠(yuǎn)的影響。陶瓷材料的潛力是巨大的，相信陶瓷材料在未來(lái)會(huì)給我們帶來(lái)更多的驚喜。 | |||||||||||||||||||||
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