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特种陶瓷材料与航天

新材料是发展高新技术的物质基础,也是改造传统产业的条件,因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域之一。特种陶瓷是新材料的一个组成部分,由于它具有其他材料所没有的各种优良性能,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是技术中不能少的关键材料。在航天科技发展方面,耐高温陶瓷材料更是占有了举足轻重的位置。


因为现有发动机的工作温度已经很高。再度提高温度只有通过精细的冷却气路设计或加大冷气量,但这些方法的效果遵循递减规律,而只有通过改进材料的工作温度收效大,因为提高工作温度可提高工作效率、降低油耗并获得更大推力,把节省的、用于冷却的高压空气用于循环也可提高推力和效率。另一方案是减轻重量。可选用比强度、比刚度均大的材料,目前只有陶瓷材料具有这两方面的潜力。


陶瓷基复合材料比高温合金的密度小,热膨胀系数小,抗腐蚀性好,理论高温度可达1650℃。由于陶瓷基部件不需要气体冷却省去或简化了冷却系统零件,可使发动机进一步减重。虽然陶瓷作为发动机热端结构材料的优点十分明显,但其本质上的脆性却很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,增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减小缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。


陶瓷的缺点是脆性,容易出现裂缝,可塑性较差。这种脆性是其晶体形态在应力下不允许位移或移动引起的。如果将陶瓷零件用于燃气涡轮的话,其可靠性至少要与其取代的零件一样才行。为解决这一问题,在近几年中采用了两种方法,并取得了相当大的进展。(1)控制陶瓷的脆性和研究裂缝及其与强度的关系等断裂微观机理。与此有关的统计方法和无损检验技术已可能用于鉴定强度和零件寿命等的设计要求。(2)鉴别限制强度的缺陷的根源和研究将其消除的方法。这并非象声波探测那样容易,因为陶瓷在一般应力下的缺陷大小为金属材料的1/100。


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