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材料系列科普6:“高精尖专属”陶瓷基复合材料应用
2020年08月24日 发布 分类:粉体入门 点击量:1087
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陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀......等优良品质,但最大软肋在于脆性大”,在工业应用中,因陶瓷脆性引发的制件失效往往是致命的,因此如何让陶瓷材料不那么脆是材料研究领域极为重要的话题。尽管脆是材料自身基因“化学键性质和晶体结构”所决定的,但通过合适的手段增加其韧性,我们还是能弥补其缺陷让它应用于更多领域。

陶瓷基复合材料 

1:连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC复合材料)材料综合性能优异,在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景,特别是在航空发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮壳环等热端部位

提高陶瓷材料的韧性有很多方式,例如提高陶瓷致密度,减少材料表面裂纹;又例如细化晶粒;或者加入具有增韧效果的成分,制成陶瓷基复合材料CMCs。今天小编就带大家简单了解一下CMCs及其主要应用。

陶瓷基复合材料三特:轻、强、耐高温

陶瓷基复合材料是指在陶瓷基体中引入作为增韧材料的第二相材料形成的多相复合材料。根据增韧方式的不同,可将陶瓷基复合材料分为颗粒、晶须、层状和连续纤维增韧陶瓷基复合材料。和常规材料相比,陶瓷基复合材料具有如下优势:其密度只有金属的1/4-1/10,但其强度大、耐磨,尤其是其良好的耐高温、抗高温蠕变性能使其在高温领域的应用越来越广,尤其在航空航天的热端部件上具有巨大优势,许多国家已将陶瓷基复合材料作为了新型的战略材料。

与其他复合材料不同,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,成品率也难保证,因此,陶瓷基复合材料通常应用于高精尖领域,下文将对其应用领域做简单整理。

应用1:在航空航天的应用

陶瓷基复合材料被誉为是世界航空工业发展的核心材料技术。陶瓷基复合材料(CMC)的密度只是镍基合金的1/3,强度则是镍基合金的两倍且耐高温能力提升了100~200℃1986年获得第一个陶瓷基复合材料专利以来,GE公司在30余年的时间里持续投入了约10亿美元,研究如何利用这种材料在经济可承受前提下的批量生产,以替代目前广泛使用的镍基合金。首个投入使用的CMC零件是LEAP发动机的高压涡轮一级外环,每台发动机有18个外环来引导气流,保障涡轮叶片的效率该零件由GE公司阿什维尔工厂制造,同时该工厂还制造GE9X发动机的燃烧室内、外衬套和第1级、第2级导向器。GE公司认为能够在航空发动机中使用CMC的零件如下图。

陶瓷基复合材料

2:航空发动机中的CMC

其他应用案例:美国F-119发动机的矢量喷管内壁板、F-414发动机的燃烧室均使用该材料,改进了部件的热力和应力分析,减少了冷却用空气量,在民用发动机方面,罗罗公司trent800的扇形涡轮外环、用于我国C919的LEAP-X发动机涡轮导向器叶片、壳环也采用陶瓷基材料,其效果已经得到验证。

应用2:在汽车工业的应用

陶瓷基复合材料用于汽车工业主要用于提高发动机热效率、汽车制动以及喷涂方面。

①在汽车发动机的工作循环中,燃烧能量的绝大部分在传热过程中损失,柴油机的热效率在32%-34%,已经比汽油机提高不少,但是仍有60%的热量被耗散。将陶瓷基复合材料作为隔热材料或者隔热涂层,覆盖在发动机上进行隔热处理可以有效减少散热损失,通过使用陶瓷基材料对发动机进行隔热处理可以将热效率提高10%-15%,而且其密度小,有效地减轻了整车的重量,使汽车的性能有较大的提升。

②陶瓷基复合材料作为新型刹车材料,和传统材料相比,具有摩擦系数稳定、摩擦损耗量小、制动范围大和寿命长等特点。其中C/SiC材料要比C/C材料制成的刹车材料性能更出色,对环境的适应能力更强。陶瓷基复合材料作为刹车材料较大地提高了使用温度,减小了刹车系统体积,提高了整车的安全性,其作为新一代刹车材料具有广阔前景。

陶瓷基复合材料

3:高富帅必备碳陶复合刹车盘

应用3:应用于高速列车制动系统

随着列车速度的提高,盘形制动已成为公认的高速列车制动形式。制动过程中,制动盘吸收制动动能并将之转化为热能散发到空气中,其材料结构和性能不被破坏。我国高速列车时速300km/h和350km/h时平直道紧急制动距离分别为3700m和6500m,所用制动盘需具有以下特点:(1)高机械强度,以承受高速旋转的离心力和制动时闸片压力;(2)大而稳定的摩擦因数;(3)良好的高温耐磨性,以减少盘面与闸片间的磨损;(4)较好的抗热裂性能,使制动盘在聚热聚冷条件下不产生裂纹;(5)较高热导率,以提高制动盘的耐热性能;(6)较低的密度,以降低车辆簧下质量。

陶瓷基复合材料

4:高铁开得快,刹车也很重要

当前,世界各国对高速列车制动盘进行了大量的研究工作,其重点主要放在制动材料的选取上,法、德、日、英等国致力于开发传统制动盘材料之外的新型材料,以减轻列车簧下重量,降低牵引功率耗损。目前高速列车制动装置材料的发展趋势是采用密度更低、摩擦因数更高、耐磨性能更好的铝基复合材料、C/C复合材料或陶瓷基复合材料。

5:列车制动材料的相对特性指标

陶瓷基复合材料

除了如上应用,陶瓷基复合材料在其他恶劣工况下应用表现也很优秀。陶瓷基复合材料由于抗化学腐蚀性好,强度、耐磨性好,是制造密封环的理想材料,对于一些工作环境恶劣的情况,如强酸强碱环境、高温湿热环境、高振动复合环境,陶瓷基密封环都可以较好地工作,使用寿命和工作可靠性可以得到保障。陶瓷基复合材料强度、刚度大,具有较高的硬度,将其作为防弹装甲、保险柜防护层等均由较好地效果。

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编辑整理:Alpha


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