先进陶瓷（通用5篇）
先进陶瓷 篇1
近日,辉门公司动力总成引进了一种新型高性能火花塞陶瓷材料,以应对高输出汽油机日益严苛的高温和高电压要求。这种名为SureFire Plus的新型火花塞陶瓷技术可实现更高点火电压、延长火花塞使用寿命,并能够有效集成到多气门小型发动机内空间局促的缸盖中。
据了解,SureFire Plus是一项革新技术,衍生自辉门公司在2008年推出的SureFire火花塞。凭借先进的陶瓷材料,SureFire Plus火花塞可以承受42千伏乃至更高的电压,而之前的火花塞只能承受36千伏电压。较高的点火电压使稀薄燃料混合物的使用成为可能,有助于提高发动机的性能和燃油经济性,同时降低二氧化碳的排放量。此外,提升后的陶瓷性能还减小了火花塞的尺寸,螺纹尺寸为14～12毫米、10毫米不等,客户可根据需求进行选择。
先进陶瓷 篇2
先进陶瓷材料：采用高度精选或合成的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷。抗菌陶瓷：具有抑制或杀灭细菌等微生物生长和繁殖的功能的陶瓷。
生物陶瓷：具有特定的生物或生理功能，能直接用于人体或人体相关的生物、医用、生物化学的陶瓷。
热敏陶瓷：对温度变化敏感的陶瓷。
逆压电效应：晶体在受到外电场激励下产生形变这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。
铁氧体：一种具有铁磁性的金属氧化物，是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物配制烧结而成。
气敏陶瓷：对气体敏感的陶瓷材料。
光敏陶瓷：也称光敏电阻瓷，在光的照射下，吸收光能，产生光电导或光生福特效应，对光敏感的陶瓷。
电致伸缩：在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变。独石电容器：一种多层叠片烧结成整体独石结构的陶瓷电容器
颗粒尺寸效应：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。受主掺杂：掺入能接受机体价电子的杂质元素。
压敏陶瓷：电阻值与外加电压成显著的非线性关系的陶瓷。
压磁铁氧体：以磁致伸缩效应为应用原理的铁氧体称为压磁铁氧体。
软团聚体：微细颗粒在相互作用力（分子间力、氢键等弱作用力的）作用下结合所形成的强度小的聚集体。
铁磁体：具有铁磁性的物质被称为铁磁体。
红外陶瓷：在一定红外波段范围内具有较高辐射率和较高辐射强度的陶瓷。磁畴：铁磁质自发磁化形成的若干个小区域。
正压电效应：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷形成电压，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。
剩余极化：当铁电体材料极化至饱和后当外加电场减小到0时仍存在极化强度。导电陶瓷：在一定条件（如温度、压力）下具有电子电导或离子电导的陶瓷材料。迈斯纳效应：超导体具有完全的抗磁性的性质。
微波陶瓷：用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷
机电耦合系数：综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量。K2 =通过正（逆）压电效应得的机械能/转换时输入的总电能
磁致伸缩：磁致伸缩材料：磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的材料。矩磁铁氧体：指具有矩形磁滞回线、矫顽力较小的铁氧体。
全辐射率：实际物体的全部辐射能量与同一温度下绝对黑体的全部辐射能量之比。
二、问答题 1． 表征压电陶瓷的关键参数有哪些，请解释每一个参数所表示的物理意义？
答：(1)介电常数；是表征压电体的介电性质或极化性质的一个参数，通常用εr表示,其单位为法拉/米相对介电常数与介电常数及电容之间的关系为：
(2)介质损耗：在交流电压作用下，在单位时间内因发热而损耗的电能。
(3)压电常数：是压电陶瓷重要的特性参数，它是压电介质把机械能或电能转化为电能或机械能的比例常数，反映了压力或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
(4)机电耦合系数：是一个综合反映压电陶瓷的机械能和电能之间耦合关系的没有量纲的物理量，是衡量压电陶瓷性能的重要参数之一，在设计器件时，它是决定带宽的重要因素，定义为：
（5）频率常数：压电原件的谐振与沿振动的方向的长度的乘积为一常数，称为频率常数。
（6）机械品质因子：表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小。
2．表征多孔陶瓷的关键参数有哪些，请解释每一个参数所表示的物理意义，以及这些参数的测量方法？
答：（1）孔径(D)：孔径有最大孔径、最小孔径和平均孔径。最大孔径是指在一个多孔体中，用气泡法测孔径时测出的第一个气泡的孔径大小。测定：气泡法，在孔陶瓷的孔径范围内，它可按液体表面张力所引起的毛细管现象测定，表达式为
(2)孔弯曲度(a)： 孔弯曲度是指多孔陶瓷中孔的弯曲程度，实际上是流体在孔内所透过的实际路程与材料厚度之比。孔愈弯曲阻力愈大，阻挡效率也愈高。
(3)孔数(n)：孔数是指多孔陶瓷单位面积开口气孔的个数。
(4)气孔率：对多孔体陶瓷而言，主要利用其开口和半开口贯通气孔，通常称为显气孔率。于等直径球体的不规则堆积方式与气孔率的关系，可按下式计算:
(5)透气度(渗透率)(k): 这是衡量过滤效率的一项重要参数。多孔陶瓷被用于气体透过时称为透气度，而用于液体渗透时称为渗透率。透气度的大小与孔径、气孔率有关，气孔率高、孔径分布均匀则透气性能好。实际测试是用在10Pa压力下lh内气体透过厚1 cm的1 m2试样表面的气体量.(6)机械强度(σ): 多孔陶瓷是一种脆性材料，根据使用要求，一般测定其耐压和抗折强度，单位为:Pa或MPa.(7)耐化学腐蚀性能: 多孔陶瓷制品在酸性或碱性溶液或腐蚀气体的作用下，测定其耐化学腐蚀程度的大小，主要有耐酸度和耐碱度等，通常以百分数表示。
(8)密度(P):多孔陶瓷制品的体积密度，对计算其他性能和考虑应用时的结构形式有一定的指导意义。
除上述8项主要性能外，多孔陶瓷在应用时，尚有滤清性能、流量、抗热震性能和阻力等。
3.什么是PTCR，影响它的因素有哪些？ 答：正温度系数电阻。
影响因素：1）施主杂志的浓度和分布均匀性；2）坯料合成中合成烧块温度选择；3）粉料的颗粒大小几个组成的均匀程度；4）掺杂物的添加方式；5）烧成温度，升温速度，保温时间，烧成气氛和冷却速度； 4.怎样理解压电陶瓷的改性添加物中“软性”和“硬性”？
答：“软性”添加物的共同特点是可以使陶瓷性能往软的方面变化，也就是提高弹性柔顺吸数，降低低较顽场，提高体电阻率
值，提高介电常数，增大介质损耗提高。
降
“硬性” 添加物的共同特点是可以使陶瓷性能往硬的方面变化，使介电损耗降低，较顽场提高，提高阻率 变小。
值，提高介电常数，稍稍降低，使体电5.生物陶瓷是一类具有特殊生理行为要求的陶瓷材料，根据其在生物体内的功能要求，生物陶瓷材料分为那几类？生物陶瓷材料应满足那些生物学要求或条件？
答：根据其在生物体内的功能要求，生物陶瓷材料分为：
①人工骨或人造关节;②运动系统的人工脏器(如心脏瓣膜)材料;③形态修复和整形外科材料;④人造牙根和假牙;⑤人工肝脏内的吸附材料(活性碳);⑥固定酶载体(多孔玻璃);⑦诊断仪器的温度、气体、离子传感器等材料
要求：1）对人无害（无毒性，无组织刺激，无致癌作用，无血栓形成）2）与人体生物相容性好；3)与周围的骨及其他组织结合性强：4）抗张，抗折，抗压及剪切强度比自然骨高，而且在体液中强度不发生明显降低；5）耐磨损；6）硬度和弹性模量与自然骨接近；7）成型加工容易，便于临床操作
6.根据基本性能和应用状况，铁氧体材料分为哪几类？并简单说明他们的性能特点和应用情况？
答：铁氧体分为：软磁，硬磁，旋磁，矩磁，磁泡，磁光，压磁等铁氧体。
软磁:起始磁导率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因素要小，电阻率要高；适用于高频下使用，主要用作各种电感元件。
硬磁：剩余磁感应强度较高，矫顽力高，最大磁能积高；一般作为恒稳磁场源。旋磁铁氧体:
广泛应用于微波领域用于制作雷达，通讯，电视，测量等。矩磁铁氧体：具有矩形磁滞回线，且矫顽力较大；广泛应用于电子计算机，自动控制和远程控制等尖端科学技术中。磁泡材料：是一种新型磁存储材料，磁泡存储器具有容量大，体积小，功耗小可靠性高等优点。
磁光材料:主要用于制造大型电子计算机的外存器---磁光存储器。其具用很高的存储密度。
压磁铁氧体：具有高的磁致伸缩现象，磁致伸缩铁氧体主要用于超声器件，机械滤波器，压力传感器等，其优点：电阻率高，频率响应好，电声效率高。
7.超导陶瓷有哪些电学和磁学性质？有哪些应用？
答: 电学性质:完全导电性，电阻率趋近于零，温差电动势趋近于零，电流能破坏超导态。
磁学性质：完全抗磁性，磁场能破坏超导态，存在混合态和中间态。
应用：在电力系统方面（输配电，超导线圈，超导发电机），在交通运输方面（制造超导磁悬浮列车，超导电磁推进器和空间退进气），在选矿和探矿方面，在环保和医用方面，在高能核试验和热核聚变方面，在电子工程方面。
8．常见的绝缘陶瓷有哪些？请说明绝缘陶瓷的性能要求和应用？
答：常见绝缘陶瓷：美质瓷，氧化铝瓷，莫来石瓷，改性碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷，氮化铝陶瓷，硼酸铅玻璃陶瓷，硼酸锡钡陶瓷，氧化铍陶瓷。
性能要求：1）满足使用技术要求的介电常数，一般为较低的介电常数；
2）尽可能低的介电损耗；
3）高的体积电阻率和介电强度；
4）良好的介电温度和频率特性;
5）优良的导热性能，机械强度，断裂韧性，化学稳定性和热稳定性。应用：在电子设备中作为安装，固定，支撑，保护，绝缘，隔离及连接各种无线电元件及器件的陶瓷材料。
9．请说明介电、铁电、压电陶瓷、热释电介质的关系？
答：铁电体是一种极性晶体，属于热电体，它的结构是非中心对称的。因而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。四者关系如图：
10．请说明BaTiO3半导体陶瓷半导化的途径和机理及影响因素？
答：途径：在陶瓷中加入施主杂质，常用三氧化二镝，除此之外还要在还原气氛中烧成，其温度为：1250~1300°C
机理：
影响因素：晶粒大小，11．PZT二元系压电陶瓷性能优良，应用非常广泛，通过调整Zr/Ti比可以调整性能，在室温下大约Zr/Ti比为53/47时靠近其准同型相界（MPB），介电常数和机电耦合系数达到最大值，请问什么是准同型相界（MPB），为什么靠近准同型相界的组成介电常数和机电耦合系数出现最大值？
答：准同型相界：由于成分不同,在温度-成分相图上,随着成分的改变,相也会发生改变, 那么分离两种相的边界就称为准同型相界.通常在这个成分下是两相共存的.原因:靠近准同型相界的晶体，介于四方—菱方过度的特殊情况，两相共存。在外电场和外力作用下发生形变时，它的晶格结构能发生相变，即从四方晶相转变为菱方晶相，或从菱方晶相转变为四方晶相，有利于自发极化方向，所以在相界附近介电常数以及机电耦合系数能够达到最大值。
12．请问氧化铝生物陶瓷性能特点及在临床上的应用？
答：性能特点：机械强度高，电阻率高，电绝缘性能优良，硬度高，耐高温，耐化学腐蚀及生物相容性好，弹性模量较大，热膨胀系数小，具有优良亲水性，多晶氧化铝陶瓷具有X射线不透过性能。
临床上应用：人工关节，人工骨，人工耳小骨
13．请说明铁氧体材料的磁性来源（以反尖晶石为例）？根据基本性能和应用状况，铁氧体材料分为哪几类？并简单说明他们的性能特点和应用情况？
答：磁性来源：反尖晶石型铁氧体的结构中，由于相反方向排列的磁矩数目不等，晶体总磁矩不为零，因而使晶体显现磁性。性能及应用同6题
14．在光学陶瓷中透光性如何非常重要，请问光学陶瓷透光性好应具有哪些条件？
答：透光性重要因为:
条件：1）致密度高;2)晶界上不存在微气孔，或微气孔大小比光的波长小得多；3）晶界没有杂质或玻璃相，或晶界的光学性质与微晶体之间差别小;4)晶粒较小且均匀，其中没有空隙;5）晶体对入射光的选择吸收很小；6）无光学各向异性，晶体结构最好是立方晶系；7）表面光洁度要高
先进陶瓷 篇3
金属陶瓷属于一种高温复合材料,与金属基复合材料和陶瓷基复合材料既有联系又有区别,很难精确界定。J.R.Tinklepaugh [1]和郑昌琼[2]给出的金属陶瓷的定义是:由一种金属或合金与一种或几种陶瓷组成的非均质复合材料,其中陶瓷占15%～85%(体积分数),在制备温度下金属和陶瓷之间的溶解度较小,彼此之间不发生化学反应,或仅限于表面发生轻微的化学反应和扩散渗透。此外,一些资料[3]中把“硬质合金”归入“金属陶瓷”中,从材料组成来看,这种观点也有一定道理。因此,本文也把硬质合金归入金属陶瓷论述。
本文主要综述了金属陶瓷在航空航天、加工制造和高温测量领域的应用和研究进展,并分析探讨了其在航空领域的应用前景。
1 金属陶瓷的制备原则
金属陶瓷的制备工艺包括粉末冶金、自蔓延高温合成、真空微波烧结[4]、原位反应[5]、机械合金化[6]等,其中采用较多的是粉末冶金法[7]。按照陶瓷相的不同,金属陶瓷可分4类:①氧化物基金属陶瓷;②碳化物基金属陶瓷;③硼化物基金属陶瓷;④含石墨和金刚石状碳的金属陶瓷[8]。有人另外提出了一类碳氮化物基金属陶瓷,不过该类陶瓷可归入碳化物基金属陶瓷中[9],无需单列一类。
为了更好地弥散分布并与金属结合,金属陶瓷中的非金属相(陶瓷)通常是近于等轴状的细颗粒,粒度一般为1～100μm[8]。而金属陶瓷制备成功与否,取决于在制备过程中能否生成一种对其陶瓷、金属组元都能润湿结合的“粘结剂”,并且这种“粘结剂”能够与陶瓷通过扩散生成有限固溶体。若“生成的粘结剂”与陶瓷发生强烈的化学反应,则会产生不良后果,造成材料性能降低,因为反应生成的通常是脆性的金属间化合物。
在烧结制备过程中,以下4种因素对金属陶瓷的性能有决定性影响:①金属和陶瓷的物理化学性质,包括膨胀系数、导热系数、弹性模量和金属材料的塑性等;②金属润湿陶瓷的程度;③金属与陶瓷的相和组织结构特征,包括相分布、晶粒尺寸与形状以及相的连续性等,相似的晶体结构、晶格常数和键合类型有助于形成固溶体;④高温制备过程中金属与陶瓷间的反应程度。P. D. Johnson研究得到真空(0.013 ～ 0.068Pa)中MgO、ZrO2与C以及金属W、Mo在直接接触条件下开始发生反应的温度(表1),明显可以看出,开始发生反应的温度很高。
Economos 和Kingery把氧化物Al2O3、MgO、TiO2和ZrO2与不同金属放在惰性气氛中,研究了它们在1800℃时的相对反应程度(表2),通过表2可以看出,在惰性气氛中,即使温度很高,金属Ni、Mo也不会与Al2O3、MgO、TiO2和ZrO2陶瓷发生反应。
注:A表示金属与陶瓷界面无物理变化;B表示金属沿着氧化物晶界渗入,氧化物有变化;C表示氧化物有轻微腐蚀;C′表示氧化物有相当的腐蚀;D表示界面生成新相
金属陶瓷的理想结构是金属相形成一种连续薄膜,将弥散且均匀分布的细陶瓷颗粒包裹。在这种结构中,脆性陶瓷相承受的机械应力和热应力,可通过连续的金属相分散;金属相则由于呈薄膜状包裹在陶瓷颗粒表面而得到强化,从而使金属陶瓷材料整体的高温强度、抗冲击韧性和抗热震性都得到提高。
2 航空航天领域
在航空航天领域中,飞行器的许多部位需要采用耐高温、抗磨损、强度高的材料,金属陶瓷有比较大的应用空间。
金属陶瓷良好的耐磨性与高温强度,可用于制造航空或航天发动机的阀、静止的环件等。硼化铬晶体和铬-钼合金粘结的硼化铬金属陶瓷具有良好的断裂强度和足够高的抗热震性,可用于制备燃气涡轮叶片、喷气发动机的喷管和内燃机阀座等[8]。而具有抗高温冲刷和氧化特性的W-Cr-Al2O3金属陶瓷可用于制作采用固体推进剂的导弹喷管衬套。此外,美国NASA还考虑把金属陶瓷作为液态火箭发动机涡轮的自润滑轴承材料[10]。许玉峰[11]发明了一种具有金属陶瓷复合薄膜的涡轮增压器,其金属陶瓷复合薄膜层的厚度为3～5μm,平均使用寿命比现有的涡轮增压器提高了2～3倍,且制造成本较低。N·R·V·班加鲁等研制出一种可长期高温使用的抗侵蚀-腐蚀碳化物金属陶瓷[12],该材料的陶瓷相选用Cr23C6、Cr7C3、Cr3C2及其混合物组成,粘合剂相选用特定的Ni-Cr合金和某些Fe-Ni-Cr合金,这种金属陶瓷特别有利于保护材料表面免受高温侵蚀。
随着飞机着陆速度和质量不断增加,在着陆刹车后20s内,刹车盘表面摩擦温度可瞬间达到1300～1600℃,同时出现高达600～800℃的温度梯度。我国研制的铁基、铜基金属陶瓷航空摩擦副材料曾广泛用于安-24、伊尔18/62等飞机上[13],这些金属陶瓷摩擦副具有刹车效率高、摩擦性能稳定、热变形小等优点。目前更先进的碳/碳高温复合材料刹车盘材料已经开始应用。
为了给航空发动机材料找到一种耐高温、强度高和抗热震的金属陶瓷,最初被广泛研究的是Al2O3-Cr金属陶瓷[1]。Cr氧化后在金属Cr与Al2O3陶瓷之间生成一层Cr2O3,而Cr2O3又有微弱的热力学趋势与Al2O3生成固溶体。Blackburn 和Shevlin对30%Cr-70%Al2O3的金属陶瓷进行了研究,他们的具体制备工艺是采用粒度小于10μm且纯度大于99.5%的Al2O3和金属Cr,放在钢桶中用硬质合金球磨150h,以甲醇作为液体介质,经干燥、制粒后,用246MPa的压力压成圆棒,然后在钼丝炉中采用还原气氛加热到1700℃并保温30h。Shevlin发现将Cr-Al2O3中的Cr含量由30%提高到72%,烧结温度仍需约1700℃,说明Cr与Al2O3之间的相互溶解度小,不发生强烈的化学反应,是一种兼具氧化物与金属Cr性能的比较有应用前景的高温材料,曾被用作测温管、火焰控制器、导弹喷管衬套等,但是没有在航空发动机中得到应用。
广泛应用的航空发动机叶片热障涂层一般由三层组成,最内层是与基体结构相接近的金属,最外层是陶瓷,而陶瓷与金属的中间过渡层通常采用金属陶瓷制成。英国罗·罗公司就曾经把一层厚度为0.1mm的含Mg的ZrO2基金属陶瓷作为航空发动机涡轮叶片热障涂层的中间过渡层,取得了比较好的应用效果。郭建亭等[14]提出的一种涡轮叶片用的智能热障涂层和第四代热障涂层中陶瓷与金属的过渡层,就可以采用金属陶瓷制备。
然而,由于航空发动机材料的任何微小损坏造成的影响和后果都是灾难性的,因此航空发动机设计师对材料的选用总是慎之又慎。与陶瓷等一些脆性材料类似,冲击韧性低仍是阻碍金属陶瓷在航空发动机上应用的一个主要原因。普惠公司和GE公司都做过用金属陶瓷制备航空用涡轮叶片的探索研究工作,但是最终的实验结果都不理想。影响金属陶瓷在航空发动机上应用的另外一个重要原因就是材料可靠性问题,由于金属陶瓷失效前无任何明显征兆,到目前为止还没有研究出一个比较通用的数学公式或计算模型来定量地预测其使用寿命。
随着金属陶瓷制备工艺的改进和对其微观机理认识的深入,具有良好高温性能的金属陶瓷在航空航天领域还是有其应用空间和前景的。
3 加工制造领域
耐磨性好、硬度高且耐高温的金属陶瓷制成的切削刀具在加工制造领域得到了广泛的应用。在国际市场上,金属陶瓷制备的车刀、钻头、铰刀等相继问世,其工作寿命和加工效率明显高于高速钢刀具,但是在制备形状复杂的刀具方面,金属陶瓷还无法替代高速钢。目前,工业发达国家金属陶瓷在刀具市场上占有的份额为1/5～1/4[15]。
金属陶瓷已成系列成牌号地应用于切削刀具材料。我国常用的金属陶瓷(硬质合金)类别包括钨-钴类(TG3X、YG6X、YG6、YG6A、YG8、YG8C和YG15等)、钨-钴-钛类(YT5、YT14、YT30等)、碳化钛镍钼类(YN10)和通用类(YW1、YW2)等[16]。不同类别的硬质合金适用于不同金属材料的加工。
WC-Co是国内外研究最早也是目前广泛应用的一类金属陶瓷,主要用于加工制造领域。随着研究的深入,以TiC为基的金属陶瓷也得到了较广泛的研究和应用,研究表明,TiC陶瓷的熔点(3250℃)比WC的熔点(2630℃)高,且密度更低(只有WC的1/3),耐磨性、抗氧化性更好。
国内外较多地研究了用于制作切削刀具的新型Ti(C,N)基金属陶瓷。Ti(C,N)[17,18]金属陶瓷具有比较独特的“芯/环”结构,其组织特征由三部分构成:①TiC或Ti(C,N)硬质相组成的核心,即“芯”;②边缘为TiC或Ti(C,N)的复杂固溶体组成的环状结构,也就是“环”;③由镍、钴和溶入其中的钛、钼、碳和氮组成的粘结相。研究表明,这种金属陶瓷比WC基金属陶瓷具有更高的红硬性、更好的抗腐蚀性以及更高的切削速度[19]。但是有研究者认为,与高速钢等相比,Ti(C,N)基金属陶瓷韧性仍然较低,限制了其广泛应用。许育东等[20]为了提高Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性、抗热震性及其刀具的高速切削性能,研究了添加TiC纳米增强相对金属陶瓷的组织及热冲击性能的影响,发现TiC纳米颗粒有助于提高Ti(C,N)金属陶瓷的抗热震性能并提高材料强度,其增强机理主要为细晶强化、弥散强化和固溶强化。同样为了提高力学性能,J.Joardar等[21]则在Ti(C,N)金属陶瓷细粉中添加具有纳米晶的金属Ni细粉,烧结后材料硬度提高了10%,断裂韧性达到约9MPa·m1/2,并指出是因为Ni粉改善了扩散效果,防止了硬质颗粒增强相的粗化,从而提高了材料性能。但是添加Ni3Al细粉的效果明显较差,他们分析后认为是由于气孔率高且两者润湿性较差造成的。张厚安等[22]提出了一种高耐磨Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的制备技术,以Ni、Co为粘结相,加入含Ti(Cx,N1-x)或(TiC)x+(TiN)1-x的碳氮化物为基料,在基体料中加入少量ZrC、Cr3C2和VC等碳化物,使材料抗氧化磨损与抗扩散磨损能力明显增强。同时通过对各组分及含量的优化配置,使低氮合金组织的致密性和抗弯强度获得显著提高,适用于中低碳钢与低合金钢的高速切削刀具。李伟等[23]研究了Ti(C,N)基金属陶瓷医用刃具的性能,发现Ti(C,N)基金属陶瓷具有良好的耐腐蚀性,在医疗消毒用次氯酸盐溶液中表现为电化学腐蚀,而在H2O2溶液中主要是氧化腐蚀。
章晓波等研究了用作刀具材料的金属陶瓷TiC-ZrC-Co-Ni的抗热震性能[24],发现ZrC质量分数为10%时,材料的抗热震性能最好,同时认为金属陶瓷的抗热震性能可利用材料的物理和力学性能进行计算预测。该结论为提高金属陶瓷材料的抗热震性提供了理论指导。
黄新等研制出一种超细晶粒的金属陶瓷[25],该材料以TiH2及金属Ti、Ta、W、V、Mo和Co等为原料,经熔制预合金,破碎、球磨后,配碳,碳氮化处理,烧结,最终制得晶粒度小于等于0.8μm、抗弯强度大于等于2050MPa、硬度大于等于90HRA的超细金属陶瓷。该材料用TiH2代替大部分Ti粉,既可作为原料,又可以作还原剂除去原料中吸附的氧,避免其进入固溶体。采用该技术制备的金属陶瓷具有良好的综合性能,可广泛用于传统硬质合金领域。 熊继等[26]通过分析研究也得出同样的结论,即细化金属陶瓷的晶粒度可在较大程度上改善金属陶瓷的韧性及使用性能。
总之,用作工模具材料的金属陶瓷在加工制造领域应用比较广泛。并且随着研究的深入,性能更优异的金属陶瓷刀具材料正陆续不断地涌现出来。
4 测温及加热领域
金属陶瓷的热传导系数高,因此与耐火材料相比,其抗热震性能更好,比较广泛地用作高温设备的热电偶保护管(又称测温管)、发热元件等。
日本公开了一种钢水测温用金属陶瓷热电偶保护管的专利技术,其成分以金属钼为基、氧化锆(ZrO2)与少量的CaO 或MgO为陶瓷添加相,制备的金属陶瓷电偶保护管的高温强度和抗热震性满足了钢水连续测温的要求。1988年张卫刚等研发出一项金属陶瓷测温管的专利技术[27],该发明采用金属钼作为基体,并且添加少量的金属锆(Zr)和钛(Ti),陶瓷相除了ZrO2外,还添加少量的稀土氧化物氧化铈(Ce2O3),其成分(质量分数)为Zr 0.2%～0.3%,Ti 1.0%～1.2%,ZrO2 0.1%～0.4%,Ce2O3 0.8%～1.2%,其余为Mo,制备工艺采用冷等静压和真空烧结。他们研究认为,在高温烧结时,由于Zr和Ti与Mo生成了固溶体,进一步提高了材料的高温强度和硬度;稀土氧化铈具有改善材质组织、细化晶粒和弥散强化的作用。制备的测温管具有较高的抗热震性、冲击韧性、高温强度,以及耐腐蚀性和抗氧化性。
1988年在杭州召开的第一届中国耐火材料会议上,宋慎泰发表了一篇有关Mo-Al2O3质金属陶瓷测温管的性能与使用的文章。该类金属陶瓷测温管在有色金属冶炼领域得到较多应用,但是用在高温合金的熔炼过程中,其抗热震性并不理想。2009年,北京航空材料研究院高温结构材料重点实验室在Mo-Al2O3金属陶瓷测温管的基础上,研制出了一种抗热震性更好、使用寿命更长的高温合金纯净化熔炼用的金属陶瓷测温管,获得了国防专利授权,目前正在推广使用。
在加热领域,黎柏其等[28]研制出一种自控温金属陶瓷发热元件,该发热体除了具有一般金属陶瓷发热元件的优点外,还具有能够自动控制温度、防止温度过高导致的发热元件爆裂损毁等优点,是一种理想的发热器件。
由于综合了金属和陶瓷的性能,金属陶瓷在测温及加热领域具有广阔的应用市场前景。
5 其他领域
具有良好的耐高温性能和抗腐蚀性的金属陶瓷在其他一些领域也得到了比较广泛的应用,例如冶金工业用的耐高温坩埚和高温件、机械工业用的耐高温耐磨零部件、电子工业用的热离子阴极等。
金从进等[29]研究了一种在冶金领域应用的金属陶瓷质滑动水口砖。该发明采用刚玉和金属铝为主要原料,加入少量碳粉及抗氧化剂,具体成分为刚玉70%～90%,金属铝0%～20%,碳1%～10%,防氧化剂(如B4C、Si、AlMg合金)0%～5%,结合剂1%～5%及少量添加剂。该滑动水口砖具有使用寿命长、抗钢水侵蚀和抗冲刷性好等优点。
对于具有优良耐磨损、抗腐蚀和耐高温性能的三元硼化物金属陶瓷复层材料6B(Fe-6B-48Mo)[30],国内也做了较多的研究工作。在机械制造领域,金其炳等[31]发明了一种用于内燃机车的金属陶瓷薄膜活塞环。其技术要点就是在活塞环端面和内外圆表面渗透一层金属陶瓷薄膜。金属陶瓷层与基底的结合强度大于19.6MPa,活塞环摩擦系数范围在0.04～0.05,比渗透金属陶瓷膜前提高了1～2个数量级,使活塞环的使用寿命延长到6.0×105km,适应了我国铁路机车提速的需要。目前硼化物类的金属陶瓷已在航空航天、石化和电力行业得到应用。
在电子材料领域,张丽鹏等[32]研制出一种适用于电解铝行业的La2O3掺杂Al2O3基金属陶瓷惰性阳极材料,具体制备过程是将铁镍金属粉(质量分数50%～80%)与氧化铝粉(质量分数20%～50%)混合后,外加1%～3%的La2O3粉,然后将三者混合研磨至大于250目,冷压成型制成金属陶瓷惰性阳极材料,烘干后放在通氩气的硅钼炉中,在1450～1550℃时埋入氧化铝粉烧结1～3h,然后以不超过5℃/min的冷速降至室温,制得La2O3掺杂Al2O3基金属陶瓷惰性阳极。该材料致密度高,具有良好的导电性和抗腐蚀性。
6 结语
先进陶瓷 篇4
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Q.先进陶瓷材料
分会主席：罗宏杰，陈大明，胡利明
单元Q1：5月19日上午 主持人：陈大明，胡利明 8：30—8：55am *Q1 原位生长碳纳米管及其在SiCf/SiC复合材料中的应用
周新贵；国防科技大学航天与材料工程学院
连续SiC纤维增强SiC复合材料（SiCf/SiC）是航空航天和聚变能源等高技术领域理想的高温结构材料。本研究采用碳纳米管（CNTs）调整了纤维与基体间的界面结合强度，同时利用其自身的优异性能对复合材料进行二次增强。首先通过化学气相沉积工艺（CVD）在SiC纤维编织件内原位生长了碳纳米管，对其生长工艺及机理进行了系统研究；然后通过先驱体浸渍裂解工艺（PIP）制备了CNTs-SiCf/SiC复合材料；最后探讨了碳纳米管的引入对复合材料力学性能的影响及其作用机制。结果表明，采用0.1 mol/L的Ni–La–Al复合催化剂前驱体真空浸渍SiC纤维编织件后催化生长碳纳米管效果较好；碳纳米管遵循顶端生长模式，在SiC纤维表面呈“森林”状分布；碳纳米管体积分数为5.21%时，CNTs–SiCf/SiC复合材料的弯曲强度、模量和断裂韧性分别提高了16.3%、90.4%和106.3%。
8：55—9：20am *Q2 The morphology research of the single crystal particles of α-Al2O3 nano-powder prepared by combustion 张增志，陈志纯，周爽；中国矿业大学北京
The single-crystal α－Al2O3 nano-powder was prepared by combustion chemical deposition.Its crystallization rule was characterized by TEM and SEM and the best technological conditions preparing for the α－Al2O3 nano-powder were determined.The results showed that most of the α－Al2O3 powder particles prepared by combustion chemical deposition
were hexagonal columnar and spherical and a very small number of particles were rhombohedra.The best α－Al2O3 nano-powder could be prepared under the technological conditions of high temperature, low reactant concentration, appropriate detention time and fast cooling.9：20—9：35am Q3
高温过滤支撑体用SiC基多孔陶瓷的制备与表征 展晓元；山东科技大学
以200目的SiC 为骨架材料，特定配比的硅酸钠、氧化铝和硼酸的混合物为粘结剂，在1250 ℃烧结，并保温1 h，制备了可用于高温过滤膜支撑体的SiC 基多孔陶瓷。用电子探针观察了多孔陶瓷试样断面的形貌，用波谱仪(WDS)测得不同SiC 颗粒粘结处的粘结剂的元素组成，结果显示粘结剂各组分在多孔陶瓷中分布较均匀，有利于形成玻璃相；X 射线衍射(XRD)分析表明粘结剂中主要为石英相和玻璃相；多孔陶瓷的气孔率随着羧甲基纤维素钠含量的增加而升高，其抗弯强度随着羧甲基纤维素钠含量的增加而降低；在粘结剂含量为3%时，多孔陶瓷的气孔率和抗弯强度都取得了较高的值，分别是32.3%和26.3 MPa；研究表明此多孔陶瓷可用作高温气体过滤膜的支撑体材料。
9：35—9：50am Q4
CeO2和Nd2O3掺杂对CaO-SiO2系微波陶瓷微观结构与介电性能的影响
吴松平，陈东福；华南理工大学
以CaCO3和SiO2为原料，CeO2和Nd2O3为掺杂剂，采用固相反应法制备了CaO-SiO2系微波陶瓷，并运用XRD, SEM 和矢量网络分析仪对CaO-SiO2体系陶瓷材料的相组成、显微结构和介电性能参数进行了表征。结果表明，不同摩尔比组成的CaO-SiO2体系生成了不同晶相的样品，CeO2和Nd2O3的掺杂对CaO-SiO2系微波陶瓷的性能有显著的提高。
Al粉末的组织结构分析 叶丹，贾德昌，杨治华；哈尔滨工业大学
在本文中，我们以立方硅粉(c-Si)、六方氮化硼(h-BN)、石墨(C)和金属铝粉(Al)为原料，采用机械合金化的方法制备出了非晶的SiBCNAl粉末。利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和高分辨电镜（HRTEM）对粉末的微观结构进行了观察，结果显示:机械合金化后的SiBCNAl粉末基本实现了非晶化，并且各种元素分布比较均匀。同时，采用X射线光电子能谱（XPS）研究了各组分间的价键状态。
T）进行氧化处理。同时，选择适当的酸性溶剂可以有效地提高臭氧的氧化性。本文选择1M HNO3 和1M CF3COOH 作为溶剂，分别考察了反应时间、溶剂对MWCNT氧化开口的影响。通过与经典的浓硝酸氧化法进行比较，得出臭氧鼓泡氧化法能更好的切断碳管，实现碳管的两端开口，增加它的溶解性。用BET来初步表征碳管的形态变化，采用TEM来观察碳管开口情况及形貌分析，FT-IR鉴定表面修饰效果。
墙展 QP1
Preparation of AlMgB14 by Field Activated and Pressure Assisted Synthesis
刘雯，苗洋，薛鹏飞；太原理工大学材料学院
In this paper, Mechanical alloying（MA）and field activated and pressure assisted synthesis（FAPAS）combining the method of in-situ synthesis were used for the preparing ultra-hard, super-abrasive AlMgB14 composite ceramic.AlMgB14 was performed at 1500oC under a pressure of 60 MPa.The sample was examined by SEM and XRD.The products contained AlMgB14, the remaining phases included spinel and impurity came from the milling process.The product had a hardness of 3527.67HV.A new approach is brought forward by the mechanical alloying assisted FAPAS process(MA-FAPAS)to have synthesized AlMgB14.The results show that the hardness by
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FAPAS method is better than others.QP2 磷酸盐粘结氮化硅多孔陶瓷的制备 赵梦，张跃；北京航空航天大学
多孔氮化硅陶瓷因其兼具较高的强度、韧性、抗蠕变性、抗雨蚀、抗热冲击性能以及较小的密度、介电常数和介电损耗等特性，被广泛的应用于多科学领域。但由于氮化硅高温烧结容易氧化，通常需要气氛保护，对设备的要求高，能耗大。而生产形状复杂、尺寸要求精确的产品，其生产成本高、烧结后难加工。改善氮化硅陶瓷的成型与烧结工艺，使其满足近净尺寸成型及低温烧结是目前研究的关键问题。
本研究利用一种新的胶态成型方法与低温烧结技术相结合，将磷酸二氢铝作为粘结剂使氮化硅浆料充模后原位固化成型。利用固化剂MgO与磷酸二氢铝的水化反应生成针柱状晶体磷酸盐，将氮化硅颗粒包裹结合在一起并实现低温烧结。通过不同温度及粘结剂含量对固化速率和坯体强度的影响，确定最佳的成型工艺。在大气中对成型的坯体在较低温度下烧结（1000~1300℃），探讨了粘结剂含量，烧结温度及不同表面改性技术对Si3N4陶瓷微观结构和机械性能的影响。采用JSM-5800型扫描电镜观察试样微观形貌，利用三点抗弯法与Archimedes 法测定试样的强度和显气孔率。
结果表明：在50℃时，注浆30min后浆料固化成型，坯体表面光滑强度高，收缩率近于0，而且避免了有机粘结剂体系脱脂工艺造成的开裂变形等不利因素。1300℃，Al（H2PO4）3相变形成的C-AlPO4对Si3N4颗粒良好的润湿及包覆，得到的多孔Si3N4陶瓷表面致密内部多孔，气孔率25%-55%，抗弯强度11-16MPa。粘结剂含量的提高，有利于加速浆料的固化，并且可以防止在干燥过程中裂纹和变形等现象发生，烧结时能将Si3N4颗粒有效粘结，提高了机械性能。烧结温度对机械性能和微观结构都有影响，随着烧结温度提高，试样强度提高，气孔率下降。此外，利用抗氧化涂层对陶瓷表面进行改性处理，也能显著改善样品内部氧化问题，提高其机械性能。
QP3
溶胶凝胶方法制备的CaCu3Ti4O12-Al2O3复合陶瓷的介电性能与IV特性
袁健聪，林元华；清华大学材料科学与工程系
本实验通过溶胶凝胶方法制备得到CaCu3Ti4O12-Al2O3 复合陶瓷粉料，并在1000℃、1050℃和1100℃三个温度点烧结成瓷。采用XRD、SEM等对得到的样品的成分、结构进行了分析，发现材料为复相体系。在此基础上，对材料的介电性能、IV非线性特性做了相关测试。复合样品的介电特性随温度变化较小，在较低温度下，复合样品的介电常数要高于纯的CCTO样品。对材料的IV测试发现，复合陶瓷的非线性系数没有基本保持不变，但其压敏电压提升到约800V/mm。
QP4
Fabrication of LSO Scintillator Ceramics by a Solid-state Reaction Method
Huamin Kou，Wei Li，Benxue Jiang；中国科学院上海硅酸盐研究所
Polycrystalline LSO ceramics were fabricated by a solid-state reaction and method using high-purity Lu2O3, SiO2 and CeO2 powders, and the effects of ball-milling time on the morphologies of raw materials were studied.TG/DSC measurement indicated the phase transformation occurred at about 1080oC.The densification and the microstructure evolution were investigated during hot pressed sintering from 1600 oC to 1670oC.Results indicated fully dense LSO:Ce ceramic with average grain size of 5um was obtained by sintering at 1620oC for 2 h.QP5
The Research on the Anisotropic Grain Growth of Alumina
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梁艳媛，陈大明，仝建峰；北京航空材料研究院
Anisotropic grain growth is not one of the intrinsic properties of alumina but rather is an extrinsic property that is controlled by certain impurities that are introduced during powder synthesis, processing, or sintering.In this paper, the 96% percent of alumina ceramics with different addictives were made by gel-casting, the microstructure of the ceramics were SiC filaments were widely used as reinforcements in metal-matrix and ceramic-matrix composites.Prepare C-core SiC filaments by CVD process using DC electrically heating for the first time.The influence of reaction temperature on the C-core SiC filaments coating by CVD process was studied in CH3SiHCl2-H2-Ar system.Various techniques of SEM, XRD, Raman, and AES investigated and the sinter mechanism was analyzed.The results shows that only spherical grains were obtained when only liquid-forming addictives silica(SiO2)and calcium oxide(CaO)were introduced, while only CaF2 was introduced the grains grew abnormally to become platelike, when both liquid-forming addictives and CaF2 were introduced, elongated grains can be formed.QP6 Na3PO4复合电解液制备的Zr-4合金陶瓷膜的防护性能
但敏，童洪辉，沈丽如；核工业西南物理研究院2所
选择磷酸盐为主要成分的复合电解液体系，用微弧氧化方法在Zr-4合金进行表面处理，以改善其抗溶液腐蚀性能。分别用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射等探讨了Zr-4合金中组织形貌、化学组成和相组成，并借助电化学极化曲线测试评价了膜层的性能。结果表明，zr-4合金微弧氧化膜层为一连续整体，厚度均匀，与基体结合牢固；膜的相结构主要为四方和单斜相的二氧化锆组成，并形成较好的晶相结构；在O.5 mol／L H2S04溶液中的室温电化学行为，对Zr-4合金微弧氧化膜的抗腐蚀性能进行了评价，氧化膜抗腐蚀性能比基体提高显著，自腐蚀电位上升最高约300 mV，自腐蚀电流密度最高减小约2个数量级，极化电阻明显增大。
QP7 Study on the Influence of Reaction Temperature on the Preparation of C-Core SiC Filaments Huang Hao，Chen Daming，Li Zhenxi；北京航空材料研究院
has been used to analyze and characterize the size of crystal grain, the microstructure, the morphologies, The Si/C atomic ratio of CVD SiC.The experimental results show that the large influence of reaction temperature on the deposition rate, the size of crystal grain, the microstructure, the morphologies, The Si/C atomic ratio of CVD SiC filaments.QP8
纳米陶瓷材料的制备、性能及应用
王晓斌，徐进；安徽宣城晶瑞新材料有限公司
与传统陶瓷材料相比，纳米陶瓷材料依其独特的结构和特性倍受大众关注。本文着重介绍纳米陶瓷材料的制备方法、性能以及应用，并结合国内外的研究状况，进一步细讨了纳米陶瓷在各个领域中的最新应用。
QP9
高压电活性BaTiO3陶瓷的电学性能及机理研究 马楠；北京科技大学
BaTiO3陶瓷作为一种发现比较早的压电陶瓷材料，具有原料成本低、容易通过掺杂改善性能的优点。本文采用传统固相烧结工艺，在较低的烧结温度下制备出了具有较高压电活性的BaTiO3陶瓷。研究了烧结温度（1100~1230℃）对BaTiO3电学性能的影响，并分析了样品具有高压电活性的原因。用X射线衍射（XRD）分析了其物相，用光学显微镜观察分析了BaTiO3的微观组织结构和电畴构型，测试了样品的密度、压电性能、介电性能、机械品质因数等电学性能。X射线衍射分析结果表明：烧结温度从1100℃升高到1180℃，陶瓷样品发生了从四方相到正交相的转变。在光学显微镜下观察到了带
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状或鱼脊骨状的电畴构型。烧结温度高于1180℃时，样品的相对密度达94%以上。其中在1190℃烧结时，陶瓷样品具有较好的电学性能：d33 = 355 璃相的有害作用相互相抵消，导致型壳的抗弯强度在某一数值附近波动。型壳自重变形测试表明，随硅溶胶中二氧化硅浓度的提高型壳的自重变形量pC/N，εr = 2804。
QP10 钛酸钡压电陶瓷的低温烧结与性能研究 杨伟刚，张波萍，马楠；北京科技大学
随着人类社会可持续发展的要求，压电陶瓷的无铅化是其发展的必然趋势，其中钛酸钡（BaTiO3）是发现最早的无铅压电陶瓷，也是最先获得应用的压电陶瓷材料。但其较高的烧结温度(1350℃)限制了其实际应用，降低致密烧结温度非常必要。本实验选取2-8 mol％LiF（99.9%）与BaTiO3粉体混合球磨、成型、于1100℃烧结2小时，测试了陶瓷块体的铁电性能、压电性能以及介电性能。实验结果表明：所有样品均为单相钙钛矿结构，未出现杂相。随着LiF含量的增加，块体的密度逐渐增加，LiF含量为5 mol％时，相对密度达到95％，陶瓷样品的矫顽场及剩余极化强度均逐渐减小，d33则先增大后减小，当LiF含量为4 mol％时，d33最大为270 PC/N，kp为0.45。LiF含量为5 mol％陶瓷样品的相对介电常数(ε)值最大为3500(1 kHz)。BaTiO3中添加LiF不仅有效地降低了BaTiO3的致密烧结温度而且获得了优异的压电性能。
QP11 玻璃纤维增强SiO2复合气凝胶的常压制备与表征 吴国友，罗凤钻，邵再东；厦门大学材料学院
QP12
硅溶胶中二氧化硅浓度对单晶型壳性能的影响规律
宁英，于兴福，王铁军，苏润涛；沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司
通过调整硅溶胶中SiO2浓度，制备出不同条件的硅溶胶单晶型壳，通过测定出型壳在不同温度条件下的抗弯强度和挠度变化，研究了硅溶胶中二氧化硅浓度对单晶型壳性能的影响。研究结果表明，在1350℃条件下，随硅溶胶中SiO2浓度的提高，型壳抗弯强度提高，而在1550℃和1600℃条件下，高温型壳中形成的二次莫来石相的强化作用与玻
减小，挠度增大。浇注试验表明，采用二氧化硅浓度为15.65%至24.6%的硅溶胶涂制出型壳均未出现跑火现象，强度满足单晶铸造需求。
QP13
BST-SiO2-B2O3系微晶玻璃陶瓷结构和性能研究 赵帮岭，刘兴，李建康；苏州科技学院化学与生物学院
采用Sol-Gel工艺制备了(Ba0.5Sr0.5)TiO3(BST)-SiO2-B2O3系铁电玻璃陶瓷。通过XRD、SEM对其微观结构和显微结构进行了分析，并通过阻抗分析仪测试其介电温谱（-50~100℃）。结果表明：SiO2-B2O3系BST铁电玻璃陶瓷的相结构为立方钙钛矿相，显微结构呈微晶结构，当BST相与玻璃相的摩尔比为4:1时，颗粒平均粒径为1.35μm。随着SiO2-B2O3玻璃相含量的增加，εr明显降低，同时居里峰宽化，TC向低温方向移动。
QP14
Study of Ti3AlC2/Cu Composite with the unusal Microstructure
Zhang Hong-bing, Zhai Hong-xiang，Huang Zhen-ying;Meterial Engineering Center, Beijing Jiaotong University
Microstructure of Ti3AlC2/Cu composite was studied，in order to explain the special high strenth of Ti3AlC2/Cu.Different volume ratios of Ti3AlC2 and copper powders were mixed, Isostatic cool-pressed the mixture into bulks at 200Mpa, then sintered at 1150℃.The sintered bulks were immersed into acid and then observed with EM.Microstructures show that the positions left by the pull-off Ti3AlC2 grains are hexagonal.It suggests that the corrosion of Ti3AlC2 grains mostly begaining at the grain boundary of polycrystalline Ti3AlC2 grains.We firstly obtained an photo of a independent
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先进陶瓷 篇5
1 主动冷却CMC结构方案
为了满足先进发动机在长期工作下保持结构完整,保证轮廓尺寸精度及可重复使用等特殊要求,目前各国均以C/C,C/SiC,SiC/SiC等高性能纤维增强陶瓷基复合材料(Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites,FRCMC)制备非烧蚀主动冷却(再生冷却、发汗冷却)结构方案为主开展研究。
2 再生冷却(热交换器)
耐高温陶瓷基复合材料热交换器是一种可用于多种推进系统的新型热防护技术。由于承受温度更高,陶瓷基复合材料热交换器工作所需冷却剂流量更小,甚至在一定温度范围内可进行无冷却短暂工作,例如飞行器再入阶段;还可预热冷却剂,提高燃料喷注时温度,利于后续燃烧[2,3]。
美国NASA对CMC热交换面板研究始于国家空天飞机(NASP)计划,经过二十余年持续投入,该技术得以不断发展。目前,借鉴美国空军(USAF)和普-惠(P&W)公司在HyTech及HySet项目中研制碳氢燃料超燃发动机金属燃烧室取得的成功经验,NASA计划开发全CMC构成的超燃冲压发动机流道(All Composite Structure),最终期望将其发展成为Mach 8~12乃至更高速度下工作的氢燃料飞行器的推进系统。计划第一阶段在NGLT(Next Generation Launch Technology)项目中开发一种主动(再生)冷却超燃冲压发动机燃烧室CMC流道。复合材料热交换面板是组成该燃烧室流道的主要构件,为此,NASA开展广泛国际合作,进行了各种形式的复合材料热交换面板制备、考核研究,热交换面板的冷却通道正在从初期的金属冷却管向全复合材料形式演化。
2.1 金属冷却管方案
以金属管作为冷却剂通道的方案中具有代表性的是P&W与Refractory Composites, Inc., (RCI)公司联合研制的一种可维护夹层热交换面板[4,5]:Ni基合金热交换管(Inco 625)夹在CMC热壁和冷壁面板之间,与CMC面板直接接触,通过碳氢燃料在金属管内流动吸收热壁传导的热量,实现再生冷却。CMC材料体系包括C/SiC和带有SiC涂层(ICC-P30X)的C/C复合材料(P25)。该设计的特点是冷、热壁及冷却系统由耐高温销钉机械固紧构成一体,相对于固定夹层结构,便于各部件分别制备、快速修理及更换,可满足使用简单、灵活、低成本的要求。耐高温销钉是该设计的关键部件之一,通常由带热障涂层的复合材料制成[6,7]。
为论证该热交换结构制备可行性,考核其实际性能与理论预测差异,RCI于2002年在Glenn Research Combustion Lab的 Cell 22 H2/O2火箭发动机内对尺寸为6.25cm×25cm面板进行了热试车考核,取得成功,表面最高温度稳定在1350~1450℃,稳态时间2min,累积试车时间18.5min[8];在此基础上,RCI进一步放大制造了当时世界上最大的主动冷却CMC面板[1],尺寸达到15cm×75cm,并于2003年在United Technologies Research Center(UTRC)的超燃实验台上进行考核,实验条件为Mach 7,动压为431.25kPa,燃气温度达2200℃,使用JP-7作为冷却剂,累计考核30s,面板壁温最高达1540℃,未出现任何结构损伤。此次实验被认为是非金属复合材料冷却结构在超燃装置上的首次成功考核,对该技术在低成本航天推进方面的应用具有里程碑意义。
法国SPS (Snecma Propulsion Solid)公司是NGLT计划的另一重要参研单位。SPS提出一种在C/SiC面板上焊接金属冷却管道方案。该方案采用的CMC面板为SPS的Sepcarbinox® C/SiC复合材料。研制初始,SPS确定Ni基合金及Mo基合金作为冷却管备选材料,结果发现,Ni合金能够满足冷却管对材质的要求,但其热膨胀系数(CTE)通常比C/SiC高,钎焊冷却后产生较大的热应力,导致焊接层开裂、焊接后部件翘曲变形等现象产生;而Mo基合金(MoRe)通过添加Re克服了单质Mo的低温脆化性,且CTE与C/SiC十分接近,钎焊后不产生任何裂纹,与C/SiC焊接层完整性较好,但MoRe密度较大,难以制备致密、薄壁的长尺寸管件,且存在焊接前LH2的渗漏以及氧化问题。因此,该方案的相关改进工作仍在进行中。为克服上述困难,SPS另外提出一种非焊接方案:将Ni合金冷却管包裹在高热导织物(如铜、炭纤维编织管)中,由金属弹簧片非刚性固定在C/SiC凹槽内[9]。采用该方案改进的CELL-22实际构件已在NASA的GRC中心进行热试车考核。
2.2 复合材料内成型冷却通道方案
使用金属管作为再生冷却结构的冷却剂通道,能够较好保证冷却剂无渗漏,但将导致冷却管壁与CMC面板间的接触热阻增加,不利于热交换效率提高,同时带来重量增加及与CMC连接复杂等问题。为此,研究人员开始利用CMC替代金属构成冷却通道制备全CMC(All Composite)热交换面板。然而,CMC内部不可避免的包含各种孔隙、微裂纹,对CMC冷却通道的密封性提出严峻挑战,成为该方案的关键技术难点[10]。
在美、法联合的AC3P(Advanced Composite Combustion Chamber Program)项目资助下, P&W,USAF, SPS, ONERA(Office National d’études et de Recherches Aérospatiales,法国)和DGA(Direction Générale de l’Armement,法国)等公司和部门合作开发出一种轻质、无渗漏的C/SiC热交换器面板,用于替代金属组成主动冷却的超燃发动机燃烧室[11,12]。这种热交换器由SPS Sepcarbinox® C/SiC冷、热面板连接而成, 热侧面板有机械加工的凹槽,冷侧面板有沿槽横向加工的冷却剂集流管,结构简单,整体性良好,不但可冷却推力室壁面,还可预热解作为冷却剂的碳氢燃料(JP-7),便于后续燃烧。为了解决C/SiC复合材料内部孔隙及微裂纹引发的热侧面板对燃料及其气体分解产物的渗漏问题,SPS利用PVD,CVD及等离子喷涂工艺在CMC冷、热面板表面沉积金属涂层(如Re,Mo,W,Ni和Ta等),随后利用热压或热等静压工艺连接上述涂层保护的冷、热壁面板,构成含冷却通道的CMC热交换结构[13,14]。SPS通过上述工艺成功制备出零渗漏的C/SiC热交换器缩比件(115mm×40mm)。2003年,在USAF-AFRL的辐射加热装置1.21MW /m2瞬态热流考核下未发生冷却剂(N2,He或预热JP-7)渗漏现象,JP-7流经热交换器后,温度明显提高至热解水平,同时热交换器冷壁温度未超过900K[15],缩比件在ONERA ATD5 高超声速试车台JAPHAR发动机上反复考核,最高热载达1.5MW/m2,均未出现可检测的部件损伤[11]。项目下一阶段目标是将多组热交换器面板(130mm×150mm)组装成可供测试的燃烧室用于PREPHA超燃发动机的考核[16]。
Rockwell Science Center(RSC)与NASA GRC、MFSC中心合作开发了全CMC的冷却面板,尺寸为5.25cm×25cm[17],其冷却通道由纺织的C/SiC薄壁管构成阵列,面板两端焊接金属管作为冷却剂提供系统。该面板在GRC的GH2-GO2火箭发动机模块中进行热试车考核中,当热流密度达14MW/m2,表面温度1560℃时,面板未产生任何冷却剂渗漏及明显结构损伤[2]。下一步工作将进一步提高材料的热导率,同时提高材料及涂层的寿命[3]。
在火箭发动机推力室应用方面,再生冷却CMC方案同样展现了良好发展前景:在NASA GRC和MSFC的联合牵头下,Hyper-Therm Inc.公司开发了一种新型再生冷却结构成型技术[18],将再生冷却剂流道成型整合于复杂外形推力室编织过程中,流道横截面形状沿推力室轴向改变,但截面积保持恒定,结构完整性良好,该推力室成功通过了GH2/GO2发动机热试车考核,考核氧/燃比从1.5至7变化,室压2.7MPa,30s后内部稳定温度达2370℃以上。
3 发汗冷却
与再生冷却相比,发汗冷却对材料传热能力要求不高,且由于冷却剂流速小,燃料泵入压力损耗低,对推进系统燃烧效率无显著影响。多孔介质的制备是发汗冷却机制的关键,C/C,C/SiC等复合材料内部具有天然的孔隙/裂纹,且热膨胀系数低,耐高温,抗热震,能够避免金属发汗结构随热载增加出现冷却通道的壅塞现象,作为发汗介质具有明显优势。
NASA Langley研究中心提出CONTRAN(CONvective-TRANspiration)设想:以耐高温复合材料的自然孔隙发汗H2冷却高超声速飞行器发动机燃烧室壁面。使用H2作为冷却剂具有冷却和抗氧化双重作用,通过控制复合材料的致密化程度调节冷却剂流量,克服冷却用H2局部燃烧引起的额外加热,从而实现热屏蔽作用,计算表明冷却剂可将75%的燃气热流屏蔽,保护燃烧室热壁[19]。
3.1 火箭发动机
USAF-AFRL资助的ALCAN(Advanced Lightweight Chamber and Nozzle)计划于2003年对发汗冷却的CMC推力室进行了50多次热试车考核,试车温度为1600~1700℃,结果表明通过控制CMC衬里的孔隙来控制冷却剂H2,CH4的发汗量可有效实现发汗冷却,提高发动机寿命[20]。
德国DLR(German Aerospace Center)利用工艺过程中产生的自然孔隙、裂纹作为冷却通道,制备发汗冷却的CMC推力室内壁构件用于液体火箭发动机。其设计为一种夹层结构:内层为多孔的C/C-SiC,包裹在外层高强CFRP(carbon fiber reinforced plastic)材料中。在内外层之间,沿推力室轴向方向分布的通道作为冷却剂主流道。工作时,冷却剂从流道穿过推力室多孔内层,到达热壁表面,形成冷却剂薄膜,吸收传递至热壁的热量,降低燃气对流传递的热量。达到热平衡后,多孔内层中存在逆向的热量交换。DLR通过研究增强体编织方式、预处理条件、石墨化温度及液相渗硅(LSI)工艺对内层C/C-SiC孔隙结构的影响规律,摸索出一整套调节孔隙率的有效方法[21,22],进而调节冷却剂流量,满足不同工况下对冷却效果的需求。该结构在European Research and Technology中心的P8 H2/O2发动机上进行了地面热试车,室压6~8MPa,氧燃比4~6下,持续50~60s,发汗冷却构件无明显破坏,冷却剂流量不低于总流量的4%时,热壁面温度均未超过1200K。在P8发动机上的试车成功在DLR发汗冷却火箭发动机燃烧室发展中具有里程碑意义。DLR正在进行包括对多孔C/C内层的改进,防H2渗漏涂层制备技术以及新型喷注器的研发工作[23,24,25]。
3.2 吸气式发动机
法国MBDA公司和EADs ST公司利用其特有技术制备双模态冲压发动机(DMR)用燃料冷却SICTEX® C/C-SiC高温部件PTAH-SOCAR[26,27,28,29]结构。该冷却结构是以冷却剂流体在散热筋阵列构成的通道内绕流进行热交换的再生冷却模式为主,同时根据需要可强迫冷却剂垂直穿过多孔CMC热壁面板,实现再生-发汗复合冷却模式。为了制备上述结构,EADS ST与MBDA合作开发了一种特殊的纤维增强体织物及制备工艺[30],得到C/C-SiC复合材料的PTAH-SOCAR结构。为了发汗需要,可通过调整工艺实现热壁面板的渗透系数在10-11~10-18m2范围内调节。上述工艺具有无需连接(焊接,粘接等),易于燃烧室整体成型,矩形直角精度高,渗漏可控,无需机械加工冷却通道,易于整合其他系统(喷注器,火焰稳定器等)等优点,于2003年获得法国政府(DGA)支持,开始用于DMR发动机地面演示。2001年,尺寸为130mm×80mm的试样面板(PSS),在MAI(Moscow Aviation Institute)超燃发动机出口进行考核:冷却介质包括N2,空气,液态煤油等,最高壁面温度超过1800K,累计热试车时间达5min没有损伤[31]。2005年,矩形截面管件(PSD)在ONERA Palaiseau中心ATD5模块进行了热试车考核:以空气为冷却介质时,通过工况Mach7.5,空气/H2超音速燃烧室的试车,成为首次成功通过超燃热考核的主动冷却C/SiC整体管件。
4 结束语
(1)主动冷却陶瓷基复合材料构件技术结合了耐高温材料与冷却结构各自优势,是实现超燃冲压发动机、高性能液体火箭发动机等先进推进系统研制的关键技术之一,吸引各航天大国在结构设计、成型技术、效能评估等方面开展研究,目前正呈现向全复合材料冷却结构发展的趋势。