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      搶占高端制造制高點,先進陶瓷材料還需掌握這5大殺手锏

      搶占高端制造制高點,先進陶瓷材料還需掌握這5大殺手锏

      編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2023-10-27
                    先進陶瓷材料

      說到先進陶瓷目前的市場形勢,除了各材料行業都在極力靠攏的新能源領域外,軍工領域也是先進陶瓷的一個非?;鸨氖袌?。提高國防能力在任何時代下都是一個國家的首要重點任務之一,而提高國防能力首先就要從裝備的升級開始。因此,作為軍工裝備的關鍵材料之一,先進陶瓷材料的發展也得到了強有力的驅動。


      一、先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分

      陶瓷是以粘土為主要原料,并與其他天然礦物經過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品,是陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統概念是指所有以粘土等無機非金屬礦物為原料的人工工業產品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經混煉、成形、煅燒而制成的各種制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物,因 此它與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業同屬于“硅酸鹽工業”的范疇。


      廣義上的陶瓷材料指的是除有機和金屬材料以外的其他所有材料,即無機非金屬材料。陶瓷制品的品種繁多,它們之間的化學成分、礦物組成、物理性質,以及制 造方法,常?;ハ嘟咏诲e,無明顯的界限,而在應用上卻有很大的區別。因此,很難硬性地把它們歸納為幾個系統,詳細的分類法也說法不一,到現在國際上還沒有一個統一的分類方法。按陶瓷的制備技術和應用領域分類,可分為傳統陶瓷材料和先進陶瓷材料。


      傳統陶瓷:傳統意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物為原料,經過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品,通常會被稱為"普通陶瓷 "或傳統陶瓷,例如日用陶瓷、建筑衛生陶瓷。


      先進陶瓷:按化學成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能,具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學特性等特點,主要包括絕緣和介質陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導體及其敏感陶瓷等;結構陶瓷主要基于材料的力學和結構用途,具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點。

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      二、活躍在軍工裝備中的先進陶瓷材料

      功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。陶瓷材料的軍工應用則主要集中在結構材料及電子器件方面:

      1. 用于航空發動機及飛機剎車盤

      對于航空發動機來說,提高渦輪前燃氣溫度是提高發動機推力的主要技術途徑,但是目前的渦輪前燃氣溫度已經逐步接近高溫合金自身的熔點,溫度上升空間很小,因此需要有替代材料。陶瓷基復合材料具有耐高溫特性,可用于熱端構件。研究表明陶瓷基復合材料可將渦輪前燃氣溫度在現有的基礎上提高300K以上。同時陶瓷基復合材料密度小,有利于發動機減重。隨著民用航空業對提高燃油效率的不斷追求,通用航空GE預計在今后十年陶瓷基復合材料在航空中的應用將增長十倍。

      2. 用在飛機剎車盤材料

      碳陶剎車盤與上一代剎車盤相比,靜摩擦系數提高1-2倍,濕態摩擦性能衰減降低60%以上,磨損率降低50%以上,使用壽命提高1-2倍。生產周期降低2/3,生產成本降低1/3,能耗降低2/3,性價比提高2-3倍。是目前國際上發現唯一能在1500℃高溫環境下,各項物理性能不發生衰減的材料。推廣應用后,每年可為中國民航客機節約成本3億元左右。

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      3. 用于火箭發動機熱結構件

      陶瓷基復合材料可用于火箭發動機中。由于陶瓷基復合材料耐熱沖擊性高,對液體推進劑化學穩定性高,比金屬材料耐高溫,具有較高的抗蠕變性,是一種理想的液體火箭發動機熱結構件材料。

      4. 用于航天飛行器和導彈的熱防護材料

      航天飛行器在進入大氣的過程中,由于強烈的氣動加熱,飛行器的頭錐和機翼前緣的溫度高達1650℃,熱防護系統是航天飛行器的關鍵技術之一。第一代熱防護系統的設計是采用放熱-結構分開的思想,即冷卻結構外部加放熱系統。C/SiC復合材料的發展,使飛行器的承載結構和放熱一體化。尤其是哥倫比亞號熱防護系統失效造成的機毀人亡事件后,使C/SiC陶瓷基復合材料更受關注。在熱結構材料的構件中包括航天飛機和導彈的鼻錐、導翼、機翼和蓋板等。

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      5. 用于衛星反射鏡

      衛星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數CTE低、高導熱性以及適當的強度和硬度、可設計性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此,國內外都正在研究C/SiC復合材料反射鏡,該復合材料密度較低,剛度高,在低溫下熱膨脹系數小及導熱性能良好,熱性能和力學性能都比較理想,而且可以得到極好的表面拋光,是一種十分理想的衛星反射鏡基座材料。美國、俄羅斯、德國、加拿大等利用碳纖維增強碳化硅復合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。

      6. 陶瓷材料及陶瓷基復合材料會被用在裝甲中

      如防彈衣、戰機和裝甲車的防護層等。防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成,防彈層可吸收彈頭或彈片的動能,對低速彈頭或彈片有明顯的防護效果,在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷基復合材料可以用于制造堅固的抗擊打的盔甲板。我國是世界上三大的防彈衣生產國,在國際市場上,我國防彈衣價格大約500美元左右,而其他國家的防彈衣價格在800美元左右,在制造成本方面我國存在優勢。

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      7. 用在飛機裝甲方面

      一些軍用直升機均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統等部件在內的陶瓷裝甲系統。此外,陶瓷基復合材料還應用在陸軍的裝甲戰車上,如斯特瑞克中型裝甲車。

      8. 用于信息化電子器件

      軍用陶瓷電容器需求旺盛。電子陶瓷除了在民用領域被廣泛應用,隨著武器裝備信息化的加速,如陶瓷電容器這類電子陶瓷在軍工領域的需求不斷增大,尤其是片式多層瓷介電容器(MLCC,市占率超過90%),而軍用市場對電容器質量要求較高,中國軍用陶瓷電容器市場規模常年保持10%以上的增長。


      三、如何搶占高端制造制高點?

      國內的先進陶瓷體系不斷拓展,制備技術不斷豐富與進步,應用領域也從單一的軍事、航空航天推廣到環保、新能源、電子信息等更為廣泛的民用市場,陶瓷材料也從結構陶瓷、功能陶瓷向結構——功能一體化發展。針對目前國內先進陶瓷現狀,仍需從幾個方面進行重點研究開發:

      • 陶瓷技術的基礎理論研究和結構設計需要匹配應用領域對先進陶瓷的發展要求,能夠對新體系、新產品、新應用和批量化轉化提供技術保障

      • 陶瓷粉體技術的研究與產業化,要打破高端粉體仍受國外制約的現狀,滿足陶瓷材料發展的基本需要

      • 增韌技術的研究是突破先進陶瓷應用局限性的關鍵之一,強韌化技術將實現先進陶瓷應用翻天覆地的變化

      • 降低先進陶瓷生產成本是突破先進陶瓷應用局限性的另一個關鍵因素,特別是大批量化生產制備技術、生產裝備的精密制造技術、陶瓷精密加工技術的發展將決定成本降低的能力

      • 注射成型、注凝成型和固體無模成型技術將成為最具批量化應用潛力的成型技術,微波燒結、放電等離子燒結技術將會給陶瓷材料性能帶來質的飛躍

      結合“十三五”規劃的要求和工業發展的要求,能源轉化載體的儲能陶瓷、在環境保護中作用突出的過濾陶瓷(膜)等功能——結構一體化陶瓷、以氮化硅為代表綜合性能優良的結構陶瓷、以AlON透明陶瓷為代表的光電陶瓷將成為應用、研究的主力。

      當今先進陶瓷材料的發展不再局限于傳統技術,而更多的是與現代信息、自動化技術、不同材料的結合而形成新的技術科學(計算材料科學、功能-結構一體化等),先進陶瓷發展的新時代即將到來。


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