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1、高温结构陶瓷的研究与应用 xx1，xx21xx材料学院xx班xx号2xx材料学院xx班xx号摘要：本文综述了高温结构陶瓷材料的性能、分类与用途。并着重介绍了氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、增韧氧化物与纤维补强陶瓷复合材料的特性与开发现状。介绍了这几种高温结构陶瓷的应用，和目前被比较广泛使用的几种制备工艺。通过对这些材料的研究，展望这些材料的发展情况。 关键词：高温结构陶瓷；特性；应用 1.引言高温结构陶瓷是一类重要的无机非金属材料,它包括氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、增韧氧化物陶瓷和纤维补强无机复合材料，具有在高温下强度和硬度高姗变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优越性能。作为
2、高温结构应用,无机非金属新材料具有明显的优越性。高温结构陶瓷不但性能好,而且比重小,在空间科学和军事技术的许多场合,它往往是唯一可用的材料。高温结构陶瓷将有十分广泛的应用,从高速切削刀具、高温气体交换器到汽车、坦克和飞机的发动机与燃气轮机、磁流体发电的导管、核聚变反应堆内壁、火箭和导弹的喷管喉部与端头,以及航天飞机外层的绝热瓦等，制作材料无不首推高温结构陶瓷，所以高温结构陶瓷在现在有着广泛的发展空间。 2、高温结构陶瓷种类、相应的特性及研究进展 2.1 氮化硅陶瓷 氮化硅是国外从五十年代中期发展起来的一类极为重要的非氧化物高温结构陶瓷。氮化硅的力学和热学性能明显优于
3、一般氧化物陶瓷,它受到各国陶瓷科学家的注意。纷纷展开研制这种的新型陶瓷材料。氮化硅是一种共价键化合物,很难进行烧结。除直接由硅和氮结合的反应烧结氮化硅外,一般都要添加其他化合物,使之与氮化硅反应生成液相以促进烧结,否则就不能制成致密的材料。这些残留在氮化硅陶瓷内的玻璃相到高温时会软化,从而影响其高温性能。氮化硅陶瓷在运行温度较低的柴油机和其他发动机的使用情况则很好。氮化硅陶瓷在热机及汽车工业上巳有许多重要应用,前景美好。利用氮化硅的高强度、耐磨损、耐腐蚀性能,还可在热机以外的领域得到许多应用。在机械工业上,氮化硅陶瓷可用作切削工具、滚珠轴承和密封磨环。在冶金工业上可用
4、于制造铝合金浇铸模具、泵、阀门、管道等以及测量铝液温度的热电偶套管。在生物医学工程上,可用来制造人工关节和人造骨等。 2.2 碳化硅陶瓷 碳化硅是除氮化硅外的另一类重要的非氧化物高温结构陶瓷。与氮化硅相比,碳化硅陶瓷的室温强度稍低,但其强度随温度的上升降低很少,并可一直保持到1600一1700℃。碳化硅的蠕变小、抗氧化性好、耐磨损、耐腐蚀性能均优于氮化硅陶瓷。但碳化硅的热导串高,断裂韧性小。碳化硅陶瓷适合于制作燃气轮机热流通道部件,尤其是需要有良好导热性的如热交换器等。碳化硅与氮化硅陶瓷各有所长,不能相互取代。在未来的热机中,将会同时采用多种高温结构陶瓷,而不是单一
5、的某种陶瓷。 除热机外,碳化硅陶瓷还有重要应用。利用其耐磨性,可以制作多种能在恶劣环境下使用的机械泵密封环。利用导热性,可以制成多种热交换器,用于太阳能电站中收集热能,或用于热机及工业窑炉中回收废热。例如有一种开槽锻炉,采用碳化硅热交换器后在1300℃运行,嫩料消耗可减少42%，在碳化硅中添加2%氧化镀后制成的陶瓷,既有很好的导热性同时又是绝缘的,因而这种碳化硅陶瓷可用作大规模集成电路的基板,解决因集成度愈来愈高而产生的散热问题。此外,利用碳化硅耐放射性元素辐照的特性,还可以制成核燃料包封材料、核聚变反应护的第一壁材料等。 2.3增韧氧化陶瓷 增韧氧化物是国外近十年来
6、才研制成的一类高温结构陶瓷,但发展十分迅猛,这类陶瓷含有一定数量的细分散相变物质,当受到外力作用时,这些细分散物质会发生相变而吸收能量,使裂纹扩展减慢或中止,从而大幅度提高材料的韧性。目前最常用的相变物质是氧化锆。 氧化锆增韧氧化锆陶瓷又称为部分稳定氧化锆（PSZ）。氧化锆由于从四方相转变到单斜相时要产生4%的体积变化,不能制成没有缺陷的纯氧化锆材料,一般都要添加碱土金属氧化物或稀土元素氧化物,使之与氧化错生成稳定的立方相固溶体,就可以不发生相变而做成有用的材料,即稳定的氧化锆。如果添加的碱土金属或稀土金属氧化物的数量不足以使全部氧化锆都生成稳定的立方相,而只能使一部
7、分氧化锆稳定,另一部分以四方相的形式存在,这种材料就叫作部分稳定氧化锆。这种陶瓷受到外力作用时,那部分未稳定的四方相氧化锆会产生相变而起增韧作用,使材料的强度和韧性成倍地提高。除了常温下使用外,部分稳定氧化锆巳成为绝热柴油机主要的候选材料。氧化铬陶瓷的导热系数比氮化硅低五分之四,膨胀曲线与铸铁和铝接近,用这种陶瓷制成的部件,与其他金属部件连接较简单,热导率低则可达到更好的绝热效果,因此是制作绝热柴油机活塞顶、气缸套和气缸盖的好材料。 2.4纤维补强陶瓷复合材料 纤维补强陶瓷复合材料是一类以陶瓷为基体、以高强度高模最纤维补强而制成的无机复合材料。这类材
