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高强耐热的结构陶瓷

发布时间: 2019-03-07 14:19:56   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

结构陶瓷是一种具有高性能的新型陶瓷材料,它高强度、耐高温、耐腐蚀、高耐磨、低蠕变速率,拥有一系列优异的物理、化学性能,因此能够在很多异常严苛的环境中代替金属材料和高分子材料应用,因此是众多高新尖科学和工业领域中的关键基础材料。

结构陶瓷因其自身优异的机械力学性能、耐高温热学性能和化学稳定性能,在生物医药、机械加工、航天航空、汽车制造、化工冶金、电子电力等多个行业有广阔的前景,如被用在飞机或汽车中作为引擎部件,如被用在用在生物医药中作为人工牙齿或人工骨骼等。常见的结构陶瓷应用领域如下图所示:

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目前较为热门的结构陶瓷包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等。氧化铝陶瓷硬度大、熔点高,如在实验室中使用的刚玉磨球机就是利用氧化铝硬度优点;氧化铝陶瓷还能作为一种高级耐火材料制造坩埚、高温炉管等;现有技术还能制备透明氧化铝陶瓷用来代替玻璃制备高压钠灯的灯管。氧化锆陶瓷具有优异的隔热性能,热膨胀系数接近于钢,且与氧化铝陶瓷相比具有更高的韧性和耐磨性,主要应用制作磨球、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针及套筒、拉丝模和切割工具等,氧化锆陶瓷也可与氧化铝陶瓷复合进一步提升物理性能,在机械加工领域应用广泛。氮化硅陶瓷密度小、硬度高、耐磨损,且自身具有润滑性,最优异的是它的化学稳定性,除氢氟酸外,不与其他无机酸反应,抗腐蚀能力强;同时突出的优点是它的耐温度变化性能,能够承受1000℃以上高温后急冷,然后再急热,这种反复变化也不会碎裂,常用来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。氮化硼陶瓷是一种六方晶系的结晶体,具有类似石墨一样的鳞片状结构,是一种新型的结构陶瓷,具有高熔点,高温强度和较小的高温蠕变性能,以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等,能够在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有高温高强要求的部位应用,随着宇宙航空和电子工业的发展,有着广阔的应用前景。

结构陶瓷的与其他材料相比有很多独特的优势:

(1)结构陶瓷硬度高、刚度高、熔点高,适用于机械加工领域;同时高强度和化学性能稳定的优点,使之应用在生物医药领域制造人工骨骼牙齿等;高温化学稳定性和低导热性,使之成为耐火隔热材料。

(2)与金属材料进行对比,结构陶瓷在高温下具有的耐氧化性能、机械性能和耐化学腐蚀等,在多种领域中逐渐取代了金属材料的应用,节约了金属资源。

(3)结构陶瓷大都具有电绝缘性,因可以应用作为绝缘电器件使用。

(4)部分结构陶瓷还具有优异的光学性能,能够替代玻璃、高分子材料,在固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等方面得到应用。

通常来说,陶瓷是一种脆性材料,但结构陶瓷通过复相增韧、纤维增韧、弥散强化、相变增韧等技术,使强度和韧性完全颠覆了传统陶瓷的常规力学范畴,某些结构陶瓷如相变增韧氧化锆的韧性接近铸铁水平。而高温等静压烧结,微波烧结、注射成型等工艺使结构陶瓷的合成与制备更加工业化和现代化。尤其是纳米陶瓷的兴起,使结构陶瓷的新功能和新工艺(如超塑性、低温烧结可能性)出现成为可能。因此结构陶瓷的应用具有非常广阔的天地。