高温结构陶瓷简介

结构陶瓷结课论文

学院: 材料科学与工程学院

班级: 无机083

姓名: 张智颖

学号: 2008015082

日期: 2011-6-20

高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望

摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势，分析了目前研究中存在的问题及其解决办法，确定了今后的研究目标与方向。

关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用

一、前言

为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度，而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50至60年代，发动机热端部件材料主要是铸造高温合金，其使用温度为800～900℃；70年代中期，定向凝固超合金开始推广，其使用温度提高到接近1000℃；进入80年代以后，相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等，并且热障涂层技术得到了广泛的应用，使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃，已接近这类合金熔点的80 %，虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度，但作为代价降低了热效率，增加了结构复杂性和制造难度，而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却，因而再提高的潜力极其有限[1]。陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。

二、研究方向与发展趋势

陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点，但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点，材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[2,3]。增韧的思路经历了从”消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能够“容忍缺陷”，即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片)弥散增韧、晶须(短切纤维)复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤维增强陶瓷复合材料是目前最重要的一类高温结构陶瓷，因此文中将其单独列出进行叙述。同时，对近年来发展出的具有高温应用潜力的层状陶瓷复合材料做了较详细的介绍。

连续纤维增强陶瓷基复合材料与其它增韧方式相比，连续纤维增强陶瓷基复合材(CFCC)具有较高的韧性，当受外力冲击时，能够产生非失效性破坏形式，可靠性高，是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。CFCC的研究始于1973年S1R1Levitt制成的高强度碳纤维增强玻璃基复合材料[4]。70年代中期，日本碳公司(Nippon Carbon Co.)高性能SiC连续纤维2Nicalon的研制成功，使制造纯陶瓷质CFCC成为可能。80年代中期，E1Fitzer[5]等用化学气相沉积法制备出高性能的Nicalon纤维增强SiC基陶瓷复合材料，有力地推动了CFCC的发展。十几年来，

世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对CFCC的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究，取得了一些重要成果，少数材料已达到实用化水平。

从目前来看，解决纤维问题的途径主要有2条:一是提高SiC纤维的纯度，降低纤维中的氧含量。如近年来采用电子束辐照固化方法发展出了一种低含氧量(质量分数为0.15%) Hi-NicalonSiC纤维[6]，其高温性能比普通Nicalon SiC纤维有了明显的提高；二是发展高性能的氧化物单晶纤维。氧化物连续纤维出现较晚，且一般为多晶纤维，高温下纤维会发生再结晶，使其性能下降，而单晶纤维则可避免这一问题。CVI工艺虽然可解决制备过程中的这一问题，但成本十分昂贵，且材料在高温下使用时仍会面临纤维性能退化的问题。因此要使连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能有所突破，关键是要研制出高温强度高且抗氧化的陶瓷纤维。

从发展趋势上看，非氧化物/非氧化物陶瓷基复合材料中，SiC/ SiC f、Si3N4/ SiC f仍是研究的重点，有望在1600℃以下使用；氧化物/非氧化物陶瓷基复合材料由于氧化物基体的氧渗透率过高，在高温长时间的应用条件下几乎没有任何潜在的可能；能满足1600℃以上高强和高抗蠕变要求的复合材料，最大的可能将是氧化物/氧化物陶瓷基复合材料。

连续纤维增强陶瓷基复合材料虽然在力学性能上具有一定优势，但是连续纤维的生产、排布和编织等工艺复杂，复合材料的成型和烧结致密化都很困难，复合材料强度较低，成本高昂。同时，高性能的耐高温陶瓷纤维问题至今尚未完全解决，这都极大地限制了它的推广应用。

三、国内外应用与研究现状

由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力，国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上，到目前为止已报道的有法国将CVI法SiC/C f用于狂风战斗机M88发动机的喷嘴瓣以及将SiC/SiC f用于幻影2000战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[7]。

此外，有许多陶瓷基复合材料的发动机高温

构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件，美国碳化硅公司用Si3N4/SiC W制造导弹发动机燃气喷管，杜邦公司研制出能承受1200～1300℃、使用寿命达2000h的陶瓷基复合材料发动机部件等[8,9 ]。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段，美国空军材料实验室的研究人员认为[10]，1204～1371℃发动机用陶瓷基复合材料已经研制成功。由于提高了燃烧温度，取消或减少了冷却系统，预计发动机热效率可从目前的26%提高到46%。英国罗—罗公司认为，未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计

在21世纪初，陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650℃或更高。

四、结束语

陶瓷基复合材料到目前为止其应用范围仍然非常有限。除材料性能有待于进一步提高外，还有几个需要重视的问题。

(1) 制造成本。陶瓷基复合材料的高成本实际上已成为阻碍其发展的一个巨大障碍，因此材料的低成本制造技术将是今后的一个重要研究方向。要降低成本首先在原材料上要尽量选取已工业化批量生产的材料，在性能允许的范围内优先使用低价格材料。从这一点来说，非连续纤维增强陶瓷基复合材料更容易满足低成本要求。其次要尽量减少材料的后加工，陶瓷材料的后加工在其成本中占有很大的比重，因此，在制备过程中要选择适当的近形制造方法，以减少后加工量。美国陶瓷界人士认为，凝胶铸成型与水基低压注射成型是目前最好的2种陶瓷材料成型技术，用这2种方法已制成了多种形状复杂的陶瓷零件。

(2) 可重复性。提高陶瓷材料的可重复制造性和可靠性，降低其缺陷敏感性和尺寸效应，也是今后的一项重要研究内容，这直接关系到陶瓷基复合材料制件的批量生产及其在实际结构中的大量应用。因此在制备过程中应严格按工艺要求进行，尽量减少不确定因素和随意性，避免材料成分出现偏析和产生大的缺陷。

(3) 设计准则。目前陶瓷基复合材料制件的结构设计主要参照金属材料的设计准则，由于两者间性质相去甚远，这一做法已显得越来越不适应，在一定程度上制约了陶瓷材料的发展速度，因此有必要为陶瓷材料制定新的设计准则，以利于陶瓷材料的研究和应用。

参考文献

1 Hoppin G S ,Danesi W P. Future of superalloys. Sims C T,Stoloff N S ( Eds ) .

Superalloys Ⅱ. New York : Wiley ,19871549～561

2 Steinbrech R W. Toughening mechanisms for ceramic materi2als. Journal of the

European Ceram. Soc. ,1992 ,10(3) :131～142

3 Becher P F. Microstructural design of toughened ceramics.J . Am. Ceram.

Soc. ,1991 ,74(2) :255～269

4 Levitt S R. High2strength graphite fiber/ lithium aluminosili2cate composites.

J .Mater. Sci. ,1973 ,8(6) :793～806

5 Fitzer E , Gadow R. Fiber2reinforced silicon carbide. Am.Ceram.

Soc.Bull. ,1986 ,65(2) :326～335

6 Isikawa T. Recent developments of the SiC fiber Nicalonand its

composites ,including properties of the SiC fiber Hi2Nicalon for ultra2high temperature. Composite Sci. & Tech. ,1994 ,51(2) :135～144

7 Schulz R B ,Ray J D. Transportation ,energy ,and ceramics.Ceram. Eng. Sci.

Proc. ,1991 ,12(7/ 8) :947

8 杜善义,韩杰才,李文芳,等1 陶瓷基复合材料的发展及在航空宇航器上的应

用前景1 宇航材料工艺11991(5) :1

9 徐江海1 陶瓷基复合材料的进展及应用1 宇航材料工艺,1991 ,4 :51

10 Tallan N M. Airforce high temperature materials program. Ce-ram. Eng. Sci.

Proc. ,1991 ,12(7/ 8) :947

高温结构陶瓷的研究与应用

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，和在现在社会的发展趋势。通过对这些材料的研究，展望这些材料的发展情况，分析现在的市场前景。

关键词：高温结构陶瓷；特性；应用

一、前言

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。

二、高温结构陶瓷种类、相应的特性及应用

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 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。

3 增韧氧化陶瓷

增韧氧化物是国外近十年来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。

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。这类材料最大的特点是, 当受到外力作用时, 陶瓷基体中的纤维能够分担外加负荷, 不致于一下子集中到裂纹的尖端上。同时, 裂纹在这类材料中扩展而碰到纤维时, 要把纤维折断或从基体中拨出才能继续前进, 从而

消耗很大的能童, 使裂纹很难扩展。因此, 纤维补强陶瓷复合材料的韧性要比一

般陶瓷高几个数量级, 可以承受剧烈的机械振动和温度激变。作为大热流、短时间和1500℃以上高温下的使用, 纤维补强陶瓷复合材料巳成功地用作洲际导弹的端头帽、回收人造卫星前缘、各种火箭发动机尾喷管喉衬和航天飞机的防热瓦。在这方面的应用上, 几乎没有其他材料可以取代。近年来, 日、法、美等国还在致力于研究能在各种新型发动机中使用的纤维补强陶瓷复合材料, 要求能在空气中1200 ℃以上的高温下运行几千小时。由于缺乏能在空气中长期使用而高温性能又不衰退的纤维, 这方面工作进展还不大。

三、市场发展

目前高性能结构陶瓷的产品主要是抗磨部件、切削刀具与模具, 即主要利用材料的高强度与高耐磨性。而利用其高强度特性, 特别是具有高温、高强度特性的产品（如热交换器与各种热机）应该是其主要发展方向, 但在这方面还需解决不少技术和经济问题, 因此还是一个远期目标。当前结构陶瓷的产品产值及市场都在稳步上升，全球市场都在积极的发展, 美国占的比重略大，总的说来还正处在“发展”市场阶段。

对一种新材料发展的评价就不能仅限于技术成果与进展上, 而必须考虑其应用与市场的前景。对于高性能结构陶瓷材料我们看到：

虽然通过长期的研究已经达到能够制成小功率陶瓷发动机的水平, 但是要达到大批量生产和形成产业还有较长的路要走, 估计需要经过十几年的努力。要在汽车工业、飞机工业以及机械制造业中广泛使用高性能结构陶瓷则需要持续的大量投资来进行生产工业、材料及设计工程方面的研究。

为了推进结构陶瓷的发展, 除了对已经成熟材料加强工艺及使用性能研究外还要对新出现的材料（如陶瓷基复合材料）进行研究, 这方面投资大, 风险高, 一般企业不愿意大规模卷入, 因此主要依靠政府投资或者政府政策倾斜来维持其发展势头。日本企业大力开发中间产品的做法值得重视。

四小结

高温结构陶瓷的研究和发展，与金属材料相比。毕竟还比较年轻，无论是材料开发，还是理论研究还很不深入和成熟．应用范围还很局部。但是从近几年的迅速发展来看。它隐含着极大的潜在力量，世界各国都给以极大的关注，并投入巨额经费以加速这方面的研究。我们在这些材料的特性中也可以看到这种材料的用途是十分的广泛，应用的地方也是特别的高端的，不仅适用于航空航天材料，而且在核反应堆工程，电气电子工业、光学、医学等领域．都可望得到广泛的应用．这种材料不限于金属与陶瓷的复合，还可以是与塑料的复合，将来一定会对社会的发展作出重大贡献。

参考文献

[1]金志浩，周敬恩，工程陶瓷材科，机槭工业出敷社，1986年．

[2]严东生，材料科学与工程，7(1989)1．

[3]加藤昭夫，山口桥，新陶瓷粉体(1983)(日)

[4]樱井良文，小泉光惠等编, 陈俊彦、王余君译新型陶瓷一一材料及其应用中

国建筑工业出版社,1983:3

[5]钱钧,“高性能陶觉材料的发展趋势”,1989

[6]“高性能陶党研究现状及应用前景”座谈会记要,2008

[7] 樱井良文、小泉光惠等编, 陈俊彦、王余君译新型陶瓷一一材料及其应用中

国建筑工业出版社,1986;5(5):23

齐齐哈尔大学

结构陶瓷结课论文

题目高温结构陶瓷的研究及应用

学院材料科学与工程学院

专业班级无机083

学生姓名谭家祥（2008015067）

教师王守兴