前沿讲座_zro2陶瓷纤维材料

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1、ZrO2陶瓷纤维材料济南大学材料学院侯宪钦2021/9/201材料的低维化Griffith’stheory格瑞非斯微裂纹理论根据Griffith的观点：如果能够控制裂纹的尺寸在原子间距的数量级上，就可以使材料的临界断裂强度达到理论强度。但实际上，人类目前是很难达到的；不过，这一结果至少可以告诉人们：制备高强度材料的基本方向---材料的模量E和断裂表面能要大，裂纹尺寸c要小。材料的低维化是实现材料强化的一个发展方向。2021/9/202低维材料的强度熔融石英纤维=2.41GPaE/40碳化硅晶须=6

2、.47GPaE/23氧化铝晶须=15.2GPaE/33尺寸较大的材料实际强度比理论强度低得更多，约为E/100–E1000理论近似值E/102021/9/203ZrO2陶瓷纤维报告内容一、ZrO2陶瓷纤维项目来源二、ZrO2纤维的主要用途三、ZrO2纤维的性能特征四、ZrO2纤维的市场预测五、ZrO2纤维的制备技术六、ZrO2纤维棉的生产可行性分析与成本估算2021/9/204一、ZrO2陶瓷纤维项目来源ZrO2陶瓷纤维项目来源于两项国家资助的课题研究成果：1、军工配套项目高性能连续ZrO2陶瓷

3、纤维的研制2、“863”计划先进材料领域课题高性能连续ZrO2陶瓷纤维及其增强的磷酸盐基宽带透波复合材料的研制2021/9/205二、ZrO2陶瓷纤维材料的主要用途1、宇航工业航天飞机（器）用绝热与结构增强材料超高温表面绝热材料特殊防热结构绝热材料再入飞行器超高温复合材料前锥体及翼前缘超高温绝热、烧蚀与结构材料防热砖用增强材料导弹、火箭发动机喷管喉部、内衬用高温稳定材料通讯卫星高能电池用隔膜、支撑体及隔热材料空间熔炼炉、原子用超高温隔热材料2021/9/206二、ZrO2陶瓷纤维材料的主要用途2、新型

4、的先进民用材料工业窑炉用超高温隔热材料与金属或合金复合，宽温度范围使用的超强材料与玻璃复合，制成高强绝热玻璃高温过滤材料高温化学反应催化剂载体2021/9/207三、ZrO2纤维的主要性能特征ZrO2是一种大家所熟知的过渡金属氧化物，它本身是一种具有优良的热学、电学、光学和机械性能的结构/功能材料，已在许多领域得到了广泛的应用。1、ZrO2简介2021/9/208ZrO2的三种晶型单斜四方立方液相1170oC2370oC2715oC纯ZrO2在不同温度区间具有单斜（Monoclinic）、四方（Tetra

5、gonal）、立方(Cubic)三种不同晶型，晶型转化式为：2021/9/209晶型温度/oCa/Åb/Åc/Åβ空间群单斜305.145.215.3199o18′P21/c四方13935.125.25P42/nmc立方24005.09Fm3m三种晶型的单位晶胞结构：三种晶型的晶胞参数：2021/9/2010加入足量稳定剂可在室温下获得c-ZrO2单相材料，即全稳定氧化锆（fullystabilizedzirconia，FSZ）。c-ZrO2单晶是一种高硬度的装饰宝石，c-ZrO2陶瓷是一种P-型半导体，

6、具有优良的离子传导性，被广泛用作氧探测器、高温发热元件和其他功能材料。立方相氧化锆2021/9/2011将稳定剂的含量适当减少，使t-ZrO2全部亚稳到室温，得到四方相多晶氧化锆(tetragonalzirconiapolycrystals，TZP)。TZP力学性能优良，强度高、韧性和耐磨性好，并具有低的导热系数和良好的抗热震性，有“陶瓷钢”之美称。下图是氧化锆陶瓷的各种制品：四方相氧化锆2021/9/20122、ZrO2纤维为了获得高强度的氧化锆纤维，其晶相一般选择为具有极好力学性能的Y-TZP，通常掺

7、入2-3mol%的Y2O3作稳定剂。ZrO2纤维是具有多晶陶瓷结构的纤维状材料，直径1-30µm，晶粒大小50-150nm，晶相四方或立方。2021/9/2013ZrO2纤维的分类按纤维长度分类：ZrO2纤维可分为连续纤维短纤维（定长纤维）两种类型。连续长度大于一米的纤维称为连续纤维长度为厘米或毫米级别的纤维则称为短纤维2021/9/2014氧化锆连续纤维主要作为复合增强材料应用于航空、航天、国防等尖端领域中。要求其具有很高的抗拉伸强度和极好的柔韧性。最好能连续千米不断，几千根一束，能有序缠绕并可解绕，因

8、此制备相当困难，掌握其制备技术的也仅有我们及美、日等几家科研机构，至今未见有工业化生产的报道。2021/9/2015氧化锆短纤维主要用作超高温隔热或密封材料，对长度、强度和有序性要求不是很苛刻，因此制备工艺相对简单。主要产品形式有纤维毡或毯等2021/9/2016ZrO2纤维的性能参数高熔点：2715C低导热系数：1.6-2.1w/m·k（金属氧化物中为最小）低高温蒸气压：13700C蒸汽压仅为8×10-12Torr低比热：