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特種陶瓷材料與航天

新材料是發展高新技術的物質基礎,也是改造傳統產業的條件,因此材料科學被列為對世紀六大高科技領域之一。特種陶瓷是新材料的一個組成部分,由於它具有其他材料所沒有的各種優良性能,它在國民經濟中的能源、電子、航空航天、機械、汽車、冶金、石油化工和生物等各方麵都有廣闊的應用前景,成為各工業技術特別是技術中不能少的關鍵材料。在航天科技發展方麵,耐高溫陶瓷材料更是占有了舉足輕重的位置。


因為現有發動機的工作溫度已經很高。再度提高溫度隻有通過精細的冷卻氣路設計或加大冷氣量,但這些方法的效果遵循遞減規律,而隻有通過改進材料的工作溫度收效大,因為提高工作溫度可提高工作效率、降低油耗並獲得更大推力,把節省的、用於冷卻的高壓空氣用於循環也可提高推力和效率。另一方案是減輕重量。可選用比強度、比剛度均大的材料,目前隻有陶瓷材料具有這兩方麵的潛力。


陶瓷基複合材料比高溫合金的密度小,熱膨脹係數小,抗腐蝕性好,理論高溫度可達1650℃。由於陶瓷基部件不需要氣體冷卻省去或簡化了冷卻係統零件,可使發動機進一步減重。雖然陶瓷作為發動機熱端結構材料的優點十分明顯,但其本質上的脆性卻很大地限製了它的推廣應用。為了克服單組分陶瓷材料缺陷敏感性高、韌性低、可靠性差的缺點,材料科學工作者進行了大量的研究以尋找切實可行的增韌方法,增韌的思路經曆了從“消除缺陷”或減小缺陷尺寸、減少缺陷數量,發展到製備能“容忍缺陷”,即對缺陷不敏感的材料。


陶瓷的缺點是脆性,容易出現裂縫,可塑性較差。這種脆性是其晶體形態在應力下不允許位移或移動引起的。如果將陶瓷零件用於燃氣渦輪的話,其可靠性至少要與其取代的零件一樣才行。為解決這一問題,在近幾年中采用了兩種方法,並取得了相當大的進展。(1)控製陶瓷的脆性和研究裂縫及其與強度的關係等斷裂微觀機理。與此有關的統計方法和無損檢驗技術已可能用於鑒定強度和零件壽命等的設計要求。(2)鑒別限製強度的缺陷的根源和研究將其消除的方法。這並非象聲波探測那樣容易,因為陶瓷在一般應力下的缺陷大小為金屬材料的1/100。


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