结构陶瓷材料

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1、摘要综述了先进结构陶瓷材料在国内外的研究和应用现状％讨论了氮化硅陶瓷补强增韧的研究方法及发展方向，着重介绍了自韧氮化硅陶瓷的研究进展。关键词高温结构陶瓷氮化硅补强增韧自韧1先进结构陶瓷材料的研究动态先进陶瓷材料，又称为精细陶瓷或特种陶瓷，按其使用和性能分类，可分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷，前者是以利用其力学和热学性能为主的材料。因此又可称之为高温结构陶瓷-后者则是以利用其电.磁.光.铁电.压电.热释电等性能及其偶合为主的材料，亦称之为电子陶瓷17,长期以，在结构材料中，金属材料的应用占据统治地位，但随着

2、现代科学技术的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越苛刻。在许多高技术领域仅仅依靠应用金属材料来获得突破性进展是很困难的，先进结构陶瓷材料以其高强度.高硬度•耐磨损•抗腐蚀以及低热导等独特的优异性能。在国防•能源.航空航天•机械•石化•冶金•电子等行业。正日益显示出其广阔的发展应用前景。已引起世界各工业发达国家的广泛重视，各国竞相投入大量的人力•物力予以研究，以至形成世界性的“陶瓷热”，例如美国在为期10年的“先进材料和工艺计划”（AMMP）中，1992、1993年共拨款2.82亿美元资助结构陶瓷，占总拨款

3、的18%⑶，足见其对结构陶瓷的重视•在这两年期间，美国有40余所主要大学承担1500余项陶瓷研究课题叫许多从事其它材料研究的科研人员纷纷转向结构陶瓷材料领域的科研工作，当前世界各国先进结构陶瓷材料研究的重点及主要应用集中在以下几个方面。1.1陶瓷发动机的开发研制陶瓷发动机的开发研制是高温结构陶瓷研究的主要目标及最重要的应用，发动机的零.部件一般是在高温•高速运转等苛刻的工况条件下运作。普通的金属材料或高分子材料难以满足要求，即使高温合金使用温度也不能超过105摄氏度，而且效率较低，而陶瓷发动机可提高工作温

4、度（1200〜1650摄氏度），改善发动机性能，提高燃烧效率，节约能源，美国早在1982年就由CUMMINS公司研制出试验性无冷却柴油发动机O现已研制出汽车.卡车.轮船用陶瓷发动机，日本政府也在1984年制成全陶瓷发动机，其热效率达48%o节约燃料50%,输出功率提高30%,而重量减轻了30%⑸,最近五十铃汽车研制成功以小型柴油发动机为基础的电子控制陶瓷涡轮复发动机,其主要部件全部是用SI3N4等陶瓷制造的。我国是1986年开始进行高温结构材料和陶瓷发动机的研制计划1990年无水冷柴油机在完成了400小时

5、SI3N4活塞顶和薄涂层零件试验基础上，装车路试后!由上海顺利驶抵北京，标志着我国陶瓷发动机的研制取得突破，成为少数掌握此技术的国家之一⑹。后经改进研究，将无水冷陶瓷发动机安装成沙漠用车，现该车在南疆油田用作救援车叭1.2高温陶瓷用于宇航工程美国哥伦比亚号航天飞机，表层就是被一种代号为LI900结构陶瓷制成的3100块隔热瓦所包围。这是由美国国家航空航天局NASA所属的LOCK——heed导弹和航天公司研制的。航天飞机表层70%的面积为这种材料保护，使航天飞机穿过大气层时，高温（超过1570摄氏度）热量被

6、吸收。1.3陶瓷轴承、超精密车床的研制目前美国两家公司已联合研制出的si3n4陶瓷轴承比轴承钢轻60%,强度为其2倍，不需要或少需要润滑油，而成本仅为轴承钢的1/4,日本J-P-ME技术研究院研制出的超精密车床的导轨和滑板，均为陶瓷制成!该车床可加工出境面光洁度的表面［%工业用陶瓷材料和轴承钢的特性对比见表山农1工业陶瓷和轴承钢的典型特性项冃氮化硅碳化硅氧化铝氧化梏轴承钢•密度.kg/m332503100390059007800杨氏模5：.GPa310420390205210抗压强度>35002000〜2

7、5002000〜27002000弯曲模ft.MPa700〜1000500300〜500600〜900维氏徴度・GW14〜1820〜2418〜2010〜138韧性•MP儿5〜82〜43〜5S〜1216〜20热膨胀系数・X102/K3481012热传导率-W.(mK)12010030230比热・J・(kg.(K)-1800700880400450使用上限温度105012501250750400〜600抗热冲击高高低中等很高滚动接触疲劳失效形式剥落断裂断裂剥落/断裂剥落*ATST52100标准轴承钢或M50高速

8、钢(用于航空轴承)1.4精细陶瓷工具的研制结构陶瓷最广泛的用途就是用作切削工具，AL2O3+TiC复合材料刀具，ZrO2增韧AL2O3及TiC弥散增强SI3N4的陶瓷工具都有良好的切削性能!如SI3N4-TiC复合刀具的切削寿命是硬质合金的10〜100倍，最优切削速度高3〜10倍•在1000〜1300摄氏度仍保持切削能力[8],1980年全世界陶瓷刀具产值已达十亿美元■此外，陶瓷材料还被应用于油井用压力球阀，计量泵柱塞等领域，