卫生陶瓷原料(卫生陶瓷原料配方)

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■中国建筑材料科学研究总院有限公司 霍艳丽

高性能陶瓷材料如碳化硅、氧化铝、氮化硅等,具有强度高、耐腐蚀、质量轻等优点,但是这类材料也有致命的缺陷,就是高脆性,在受到应力冲击时容易导致断裂。而采用高强度、高弹性模量的纤维与陶瓷基体复合可阻止裂纹的扩展,从而得到具有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料,既可以保留陶瓷材料的优点,又能克服掉陶瓷材料脆性高的弱点,是提高陶瓷韧性和可靠性的有效方法。

纤维增强陶瓷基复合材料就是以陶瓷材料为基体,以陶瓷纤维、晶须、晶片或颗粒为补强体,通过适当的复合工艺制备且性能可设计的一类新型材料,具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性等诸多优点,受到国内外学者的广泛关注。与其他复合材料相比,纤维增强陶瓷基复合材料的成型工艺相对复杂,制备周期长,成本高,对设备要求也高,成品率较难保证。因此,纤维增强陶瓷基复合材料通常应用于高精尖领域,应用于热结构部件的典型代表有C/C、C/SiC及SiC/SiC复合材料。欧美等发达国家已经开展该类材料在航空发动机上的应用,我国也紧随其后展开了广泛的研究。

纤维增强陶瓷基复合材料

好比构造齐全的“人体组织”

纤维增强陶瓷基复合材料的结构一般包含四个部分:补强纤维、界面相、基体及表面抗氧化涂层。其中补强纤维相当于复合材料的“骨架”,是复合材料的主要承载结构单元,复合材料的强度很大程度上取决于增强纤维的强度。纤维可分为短切纤维和连续纤维。短切纤维的长度一般在150mm以下,通常采用颗粒弥散及晶须复合增韧的方法来实现与基体的复合;连续纤维则具有较大的长径比,能够实现沿长度方向的不间断增强效应,可靠性较高。包覆在纤维外的界面相相当于连接在骨架上的“筋”,是复合材料的传载结构单元,主要作用是将复合材料的载荷传递到尽可能多的纤维上。基体则相当于复合材料的“肌肉”,是形成复合材料外形和刚性的基本结构,基体应具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能,在服役环境中起到保护纤维和界面的作用。而表面涂层则相当于“皮肤”,是复合材料和外界环境直接接触的结构单元,是保护复合材料内部结构的第一道屏障。

纤维增强陶瓷基复合材料

应用潜力巨大

提到纤维增强陶瓷基复合材料,首先要说的就是碳/碳(C/C)复合材料,碳纤维最早起源于1860年英国人用于灯丝的炭丝,经过200多年的发展,碳纤维已成为研究最成熟、性能最好的纤维之一。20世纪60年代以来,受先进飞行器的要求所推动,碳纤维及其复合材料的制备获得很大发展。与金属材料相比,C/C复合材料具有良好的耐热性、极小的热膨胀率、很轻的重量(只有铁的1/5)、良好的耐腐蚀性等性能优势;与石墨相比,C/C复合材料具有更高的强度、更好的韧性,不易破碎;与树脂相比,C/C复合材料能耐更高的温度(最高耐温达2800℃左右),具有良好的耐腐蚀性和极高的耐摩擦性;与单相陶瓷相比,C/C复合材料具有良好的韧性、极佳的耐冲击性和易加工性。这些特性使其应用领域涵盖军用战略导弹、载人飞船等再入飞行器的热端部件,飞机、汽车和高速火车等刹车材料,广泛用于民用领域的高温炉发热体、炉体、承重板、螺栓、螺母、垫片等。

“韧劲十足”的纤维增强陶瓷基复合材料

C/C复合材料隔离筒、螺母、螺杆 霍艳丽/供图

碳/碳化硅(C/SiC)复合材料具有C/C复合材料的一系列优点,且克服了C/C复合材料在氧化气氛中易氧化失效的缺点,其抗氧化性能要远远优于C/C复合材料,可应用于再入飞行器、空间反射镜、装甲防弹等领域。

随着SiC纤维制备技术的不断突破,SiC/SiC陶瓷基复合材料作为后起之秀,与C/SiC复合材料相比,其增强相SiC纤维具有高强高模、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小及更佳的抗氧化性等优点,同时克服了碳化硅陶瓷断裂韧性低和抗冲击性能差的缺陷,是目前国际公认的最有潜力的发动机热结构材料之一。

我国高性能陶瓷基复合材料

仍处于追赶先进阶段

党的十八大以来,我国组织实施了“国家重点研发计划”“两机专项”等系列项目研究,重组、组建了“中国航发集团”“中航复材中心”等研发队伍与基地,取得了一系列的成果。但是我国在高性能碳纤维、SiC纤维制备技术的开发方面与西方发达国家仍存在10~15年的差距。以美国为首的西方发达国家,SiC陶瓷基复合材料已广泛应用于燃烧室内衬套、燃烧室筒、翼或螺旋桨前缘、喷口导流叶片、涡轮叶片、涡轮壳环等热端部件,而我国虽然已成功研制出多种SiC陶瓷基复合材料构件,但仅有少数C/SiC、SiC/SiC结构件通过试车和考核,离批量应用尚存在距离。可以说我国高性能陶瓷基复合材料仍处于追赶先进的研制阶段。

本文原载于《中国建材报》3月28日11版

责编:丁涛

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