陶瓷材料培训布谷鸟声学.ppt

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1、陶瓷材料,第一部分 陶瓷基础知识,1.陶瓷的性能,(1)硬度是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)强度 理论强度很高，耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(3)塑性，在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。(4)热膨胀性低，导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）(5)热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）(6)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧

2、，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(7)导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）,2 陶瓷的制备,2.1 陶瓷原料的种类与性质 粘土与高岭土粘土：主要成分是微细铝硅酸质，如砖瓦用泥土高岭土:以高岭土矿为主要成分，它分为残留高岭土和沉积高岭土。这两种原料的主要成分为SiO246.54%,Al2O339.50%,H2O13.96%。蜡石它是一种硬质粘土，以叶蜡石为主要成分的铝硅酸盐，主要成分为SiO266.70%，Al2O328.30%，H2O5%。,膨润土膨润土主要是由蒙脱石构成的粘土，它的化学式为：Al2O3.4SiO2.H2O，这种原料最突出的特点是有膨润性，它在

3、瓷器生产中主要用作增塑剂。瓷石瓷石是一种由石英、绢云母组成，并含有若干高岭土。长石等岩石状矿物，它不是单一的矿物岩石，而是多种矿物集合体。滑石滑石与叶蜡石有相同的晶体结构，其化学式为：3Al2O3.4SiO2.H2O，在瓷中加入少量的滑石可以提高其透明度和白度，并增加瓷中玻璃相的含量，提高致密度，扩大烧结范围。,二氧化硅原料二氧化硅原料一般为石英，纯的石英透明，称为水晶。石英之间存在结晶形态的转化，如下：溶剂原料在陶瓷工业中为了降低烧结物的温度而加入的原料，重要有以下两种：（1）长石类：钾长石或正长石（K2O.Al2O3.6SiO2)、钠长石（Na2O.Al2O3.6SiO2)、钙长石（CaO

4、.Al2O3.2SiO2)等。（2）含锂矿类：主要有锂云母、磷铝石、锂辉石及叶长石。其他陶瓷原料高铝质原料、碳酸钡、石灰石、白云石等。,2.2 陶瓷原料的加工陶瓷原料的加工就是将原料先煅烧，然后粉碎，从粉碎效率上来看，一般是先经过粗碎，再中碎，最后细碎，让原料颗粒达到200目250目。将所粉碎的粉料经和水混合和捏练，就可以得到所需要的坯泥。2.3 陶瓷胚体成型当坯泥混合好后，将其均匀的填充到模型中。,目是指每平方英吋筛网上的空眼数目，50目就是指每平方英吋上的孔眼是50个，500目就是500个，目数越高，孔眼越多，能够通过筛网的粒子的粒径越小。,1.注浆体成型法这种成型方法是将坯料泥浆注入石膏

5、模内，石膏将水中所悬浮的粘土与水一起吸引到模的表面，水被石膏吸收后就形成与模型一样形状的坯料。,2.可塑性成型法可塑性成型就是采用具有捏练状态的湿坯泥成型的方法。其成型方法有：挤出成型，热压成型，湿式及半湿式成型等。,3.加压成型法将粒料和粉料加压变形而固结成型，它粉压法和干压法。,4.等静压成型法等静压成型法与干压成型法相似，它是在模行各个面都施加均匀的压力。它的主要特点是模具具有弹性，运用模具可以均匀的传递压力的特点对其施压。,2.4 陶瓷的烧制,烧制（烧成）：它是将粉末做成的坯体，利用热的 作用使之硬固。烧结机理：颗粒在接触点处的离子因热的振动而扩散，如两物质(AB)与(CD)混合加热时

6、，当到达某温度时，则彼此的离于在颗粒表面扩散而发生如下反应：(AB)+(CD)(AC）（BD）颗粒接触点愈多(亦即颗粒微细)，填充愈致密时，反应愈快。固相烧结：将Al2O3粉加压成型，烧成后不生成玻璃相而固结。液相烧结：将Al2O3粉加压成型，烧成后瓷器坯体产生玻璃相而固结。,影响烧成的因素化学组成与矿物成分。粒度分布。粒度越细，烧结效果越好。填充密度及体积密度。烧成温度与时间，温度越高，时间越短，但不成比例变化。冷却速度。冷却速度影响产品的质量，如变形、开裂等烧成中的气氛，指气体的性质（氧化、还原、中性），如含氧化铁的坯体，适宜于在还原性气氛中烧结。,3.陶瓷的分类,玻璃工业玻璃(光学，电工

7、，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 陶瓷普通陶瓷-日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔 特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温 金属陶瓷-结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工 玻璃陶瓷耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷,3.1 普通陶瓷,原料长石，石英，粘土，高岭土，绢云母，滑石，石灰。加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3，ZrO2等）提高强度和热稳定性；加入（SiC等）提高导热性。,日用陶瓷 性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性 用途：日用器皿，工艺品艺术品等建筑陶瓷 性能要求：强度，热稳定性 用途：

8、地面，墙壁，管道，卫生洁具等.电工陶瓷（高压瓷）性能要求：强度，介电性能和热稳定性.用途：隔电，支持及连接，绝缘器件化工陶瓷 性能要求：耐蚀性.用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。,3.2 特种陶瓷,3.2.1 氧化物陶瓷,氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金属与非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型（A、B表示阳离子）。,工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过2000C，应用最多是：SiO2,Al2O3,ZrO2,MgO,CaO,BeO,T

9、hO2和UO2等，以及一些氧化物之间的化合物如3Al2O32SiO2（莫来石），MgO Al2O3(尖晶石）等。,各种氧化物的结构及特点,尖晶石透明陶瓷,刚玉陶瓷,光学石英玻璃,（1）SiO2(二氧化硅）,丰度（各元素在地壳中平均含量的百分数）为60%；含SiO2的矿物很多，大部分以硅酸盐矿物形成岩石，例如，在岩浆岩中以矿物形式出现的脉石英（SiO2 99%)，在沉积岩中的石英砂岩（SiO2=9095%)，地面风化后有石英砂；水晶（最纯）、鹅卵石（最不纯）；SiO2在常压下有七种结晶态和一个玻璃态：-石英（三方晶系）、-石英（六方）、-鳞石英（斜方）、-鳞石英（六方）、-鳞石英（六方）、-方石

10、英（四方）、-方石英（等轴）及石英玻璃（非晶态）。,光学石英玻璃,（2）Al2O3(刚玉)陶瓷,Al2O3陶瓷通常称刚玉瓷，与天然矿物刚玉同名，天然刚玉是一种纯氧化铝矿物；工业生产的刚玉主要成分是Al2O3和SiO2，Al2O3 含量越高，Al2O3陶瓷性能越好；刚玉瓷这一名词只限于氧化铝含量为95%以上的，主晶相为刚玉的陶瓷材料，工业上大量生产氧化铝含量为95%的刚玉瓷（简称95瓷），也生产97%、99%的刚玉瓷；刚玉瓷具有较高的室温和高温机械强度、很好的绝热性能、高化学稳定性、良好的介电性能、高硬度、高耐磨性；用途：1.高温热电偶套管、坩埚、电子陶瓷材料的热压烧结模具、高温炉衬、内燃机火花

11、塞、航空火花塞；2.化工高压机械泵零件、理化器皿，酸、碱都不与其发生化学作用；3.电绝缘、无线电、电真空等技术中使用的陶瓷元件，如雷达天线罩、微波电介质、超高频大功率电子管的支架、集成电路的构件等；4.高速切削工具、轴承、磨料磨具等；,致密的刚玉可用作电真空陶瓷；氧化铝透明陶瓷高压钠灯的灯管、红外光管的窗口等；多孔（氧孔率达90%）的氧化铝陶瓷在17001750C温度范围内的优良绝热材料；刚玉瓷作为很前途的生物陶瓷材料，已被制成骨移植器件，人工关节，应用于临床医学；等等。,其它用途：,刚玉陶瓷缺点是脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。,羟基磷灰石（HA）是一种活性陶瓷材料,由于其成

12、份接近生物机体骨骼的无机成份、能诱发新骨生长、具有良好的生物相容性和生物活性等特点,作为替代材料已广泛应用于人体硬组织的修复。,（3）ZrO2陶瓷,ZrO2 陶瓷熔点高（2667C，在单一的纯氧化物中仅次于ThO2-3330C、MgO-2800C、HfO2-2770C），导热系数小；自然界中分布最广的二氧化锆是天然矿物斜锆矿，一般含80%90%，质量最好的可达96%99%；另一种分布较广的是锆英石（ZrSiO4），ZrO2 67.03%、SiO2-32.97%；ZrO2有三种晶型：立方结构、四方结构、单斜结构。三者可以相互转化。,部分稳定氧化锆的断裂韧性远高于其他结构陶瓷，并由此获得了“陶瓷钢

13、”的称誉，也常用这类材料去增韧其他陶瓷材料即氧化锆增韧陶瓷（ZTC）；氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPam1/2，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍；应用：可代替金属制造模具、拉丝模、泵叶轮，还可制造汽车零件。,MgO陶瓷，熔点高、呈碱性，可以制作坩埚，炉衬，高温装置 BeO陶瓷，导热性好，具有高的热稳定性，强度较差，用于制造熔化某些纯金属的坩埚，还可用作真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷；ThO2、UO2陶瓷，具有很高的熔点、高的密度，并具有放射性，主要用于制造熔化铑、铂、银和其他金属的坩埚、电炉构件、动力反应堆中的放热元件等；莫来石，是Al2O3-SiO2系中唯

14、一稳定的二元化合物，其组成可在3Al2O32SiO2到2Al2O3SiO2之间变化，3Al2O32SiO2为化学计量莫来石：1.结构空隙大、比较疏松，具有较低的热膨胀系数、低的热导率和热容，弹性模量也较低，因而具有良好的绝热、抗震和耐腐蚀性；2.具有较低的蠕变性（指材料受不变的拉力下,长度不断伸长的现象。蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降）；3.大多数结构陶瓷其强度随温度上升均有不同程度的退化，而莫来石在一定组成和温度内不仅不下降反而有一定的起跳。,（4）其它氧化陶瓷,常见氧化物陶瓷的基本性能,3.2.2 非氧化物陶瓷,氮化物陶瓷（1）氮化硅陶瓷 它是以Si3N4为主要成分的陶瓷，按其制造工艺不

15、同可分为热压烧结氮化硅（-Si3N4）陶瓷和反应烧结氮化硅（-Si3N4）陶瓷。热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷有20%30%气孔，特点：氮化硅陶瓷硬度高，摩擦因子小，只有0.10.2，具有自润滑性；蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能在陶瓷中最佳，比Al2O3瓷高23倍；化学稳定性好，抗氢氟酸以外的各种无机酸和碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀；同时具有优异的电绝缘性能。应用：反应烧结氮化硅陶瓷主要用于制作形状复杂、尺寸精度高、耐热、抗蚀、耐磨、绝缘制品。热压烧结氮化硅陶瓷只用于制作形状简单的耐磨、耐高温零件。,（2）氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的主要晶

16、相是BN，属于共价晶体，其晶体结构与石墨相仿为六方晶格，因而有白石墨之称；高温（15002000C）、高压（69103MPa）下，六方BN可转化为立方BN，其硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。特点：具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当；热膨胀系数小，绝缘性好，化学稳定性高；硬度较其它陶瓷低，易于切削加工；有自润滑性。应用：常用于制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。,（3）氮化钛TiN陶瓷 是一种新型结构陶瓷，硬度大、熔点高（2950C）、化学稳定性好，且具有动人的金黄色金属光泽，是一种很好的耐火耐磨材料和受人欢迎的代金装饰材料。还有导电性，可用作熔盐电解的电极材料以及电触头等；具

17、有较高的超导临界温度，是一种优良的超导材料。,氮化钛圆锯片,钛金首饰，将氮化钛薄膜镀在金属表面，以假乱真,碳化物陶瓷 碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。特点：具有很高的熔点、硬度和耐磨性 缺点：耐高温氧化能力差，脆性极大（1）碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为3.2103kgm-3，弯曲强度和抗压强度分别为200250MPa和10001500MPa，硬度为莫氏9.2。特点：热导率高，而热膨胀系数小。应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。,（2）碳化硼陶瓷 硬度极高，抗磨粒磨损能力很强，熔点高达

18、2450左右。在高温下会很快氧化，使用温度范围应限定在980以下。应用：主要用于制作磨料和超硬质工具材料。（3）其它碳化物陶瓷 碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钨和碳化锆陶瓷的熔点和硬度都很高，通常在2000以上的中性或还原气氛中作高温材料。在各类碳化物陶瓷中，碳化铪的熔点最高，达2900。（4）硼化物陶瓷 常见的有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等。特点：高硬度，具有较好的耐化学浸蚀能力。其熔点范围为18002500，具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400。应用：主要用于高温轴承、内燃机喷嘴和各种高温器件。,第二部分 先进陶瓷材料的应用,陶瓷不粘锅被特富龙风波逼出的世界冠军,

19、尽管国家早有“不粘锅无毒”的定论，但是屡屡困扰国内炊具行业的“特富龙风波”还是卷土重来。日前，美国环保署(EPA)下属的科学顾问委员会专家小组达成共识，建议将生产“特富龙”等品牌不粘和防锈产品的关键化工原料全氟辛酸铵及其盐类(PFOA)分类为“可能致癌物”。消息一经国内媒体发布，即再度引起了业内外的极大关注。新型陶瓷材料不粘锅技术,不粘锅的需求中国人的饮食习惯锅的不粘性，主要体现在内表面的自由能足够低(液体一般用表面张力表示)，以达到疏油的效果。食用油的表面张力通常在2628dyn/cm，要达到理想的疏油性，就要把锅的内表面的自由能处理到26dyn/cm以下。氟树脂的表面张力通常是1719dy

20、n/cm，而且非常持久，目前在涂料中几乎难有超越者。氟涂料耐温可以达到260，基本能够满足烹饪的要求。陶瓷涂层的表面大多富含甲基官能团，其表面张力通常是2123dyn/cm，也有良好的不粘性，而且比含氟物质更加安全。因此，相当一部分无烟锅企业也把无机陶瓷涂层作为主要的宣传卖点之一。陶瓷涂层也可以减少油烟的产生。,某国产品牌瓷膜涂料主要成分图从这张图中可以看出，其主要成分为Si硅、Al铝、O氧等为典型的无机结构，未检出F氟存在。,但在实际生产中，由于目前瓷膜涂料相对传统有机涂料而言，原料和施工成本有所上升，特别是不粘性的持久性与氟涂料相比还有一定差距，有部分宣传使用了“陶瓷涂层”的厂家，实际上使

21、用的是含氟的有机涂料。严格意义上说，厚度仅3040微米的瓷膜涂层，尽管比有机涂层硬度很高，但如果使用铁铲炒菜，在硬物的长期摩擦下，涂层也难免有一定脱落。有些厂家宣称无烟锅可以永久使用铁铲，其实也夸大了瓷膜涂层的耐磨性。这些做法被媒体曝光后，误导了消费者对陶瓷涂层的认识，使消费者误以为陶瓷涂层是用氟涂料做的、是骗人的，甚至造成消费者产生“无烟锅”“毒锅”的误解。使部分讲求信誉、坚持使用瓷膜涂料的厂家在这一风波中也深受其害。,陶瓷刀具,刀具材料的发展与进步对人类的文明史有着重要的影响，刀具的使用作为划分远古人类历史发展时期的标志。在新石器时代，人类开始采用打磨的石料作刀具；以后青铜和铁刀工具的出现

22、也成为古代人类历史发展阶段的标志。在历史上，刀具的发展走过了漫长的历程，不过，从1850年至今一百余年来，刀具材料获得快速的发展。1898年高速钢工具问世，1923年德国研制成功WC-Co硬质合金，并于1927年开始工业化生产，使切削加工技术的历史发生了两次革命性的进步。,石器时代用燧石打制的刀箭,汉代青铜刀,铁制道具,各种切削刀具,金属切削过程是一种复杂的物理化学过程。要求切削刀具材料具备高硬度、高耐磨性、高强度和高断裂韧性、高热硬度、良好的抗热震性、抗侵蚀和抗黏着性等。随着科学技术的不断发展，各行各业出现了多种难切削材料，特别是高技术领域对切削加工的精度、表面粗糙度和切削效率提出了越来越高

23、的要求，这就使得刀具材料不断创新和发展。陶瓷刀具是以陶瓷材料为基础制作的用于金属切削的刀具，能在高速切削条件下保持高的强度、硬度和耐磨性，并具有长的使用寿命。,切削难题超硬材料的切削,1905年德国人开始了用氧化铝制作陶瓷刀具的研究，1912年英国首获Al2O3陶瓷刀具专利。但是，直到20世纪50年代陶瓷刀具才真正达到实用化。我国也于20世纪50年代末期开始了Al2O3陶瓷刀具的研究，但是由于Al2O3陶瓷的强度和韧性都较差，抗热震性也不好，它的发展和应用受到了严重的限制。20世纪70年代人们研制成功了Al2O3+TiO2系统复合陶瓷刀具，使Al2O3陶瓷刀具走出了缓慢发展的低谷，成为解决超硬

24、材冷加工的一种新型刀具材料。20世纪70年代初美国生产的多晶金刚石刀具和多晶立方氮化硼刀具开始投放市场，它们超群的硬度和耐磨性是其他刀具难以比拟的。但是由于人造金刚石和立方氮化硼的制造工艺复杂，价格昂贵，至今没有广泛地使用。20世纪80年代初清华大学用热压氮化硅陶瓷和英国Lucas公司用Sialon陶瓷（Si3N4和Al2O3的固溶体）制作刀具都取得良好的切削效果。由于Si3N4陶瓷有较高的强度、硬度和断裂韧性，又有较小的线膨胀系数，因而作为金属切削刀具使用时，表现出很好的耐磨性、红硬性、抗机械冲击性和抗热冲击性。20世纪90年代以来，像纳米颗粒和晶须增强陶瓷刀具、陶瓷涂层刀具、梯度功能陶瓷刀

25、具、超硬刀具材料等都得到了快速的发展，促进了加工制造业的技术进步。,氮化硅陶瓷刀具,陶瓷涂层刀具,-Al2O3与-Al2O3交替涂层的刀具,陶瓷刀具适用于加工以下多种材质的产品：高锰钢；高铬、镍、钼合金钢；冷硬铸铁（HS80-90）；各 类 淬 硬 钢（HRC55-65）；各 类 铸 铁（HB200-400）等。,陶瓷刀具与传统的高速钢和硬质合金刀具相比，具有更好的红硬性和耐磨性；与超硬材料金刚石和CBN相比，它具有更低的制造成本、更好的热稳定性和抗冲击能力。因而，在先进制造技术的发展过程中起着如下方面的重要作用。它可以加工传统刀具难以加工或根本不能加工的工件，以车代磨、以铣代磨，从而免除了退

26、火软化加工所消耗的大量电力，并可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命。它可以保证在自动化加工中较长时间较稳定的工作，保证工件的加工精度。它可以进行高速切削，加工效率可以提高几倍甚至几十倍，达到节约工时、能源和机床占用台数的效果。,近20多年来，世界各发达国家都很重视陶瓷刀具的应用和发展。美、日、德等国家陶瓷刀具的应用已占刀具构成比例的5%10%。在我国，陶瓷刀具已在机械、冶金、矿山、汽车（齿轮、飞轮、轴、轴承等加工）、拖拉机、轴承、泵（叶轮、涡壳、护板、护套等加工）、交通、能源、精密仪器、航空航天等20多个行业的几百家工厂推广应用，解决了各行各业中高硬度难加工材料的切削加工，并能提高工作效率

27、，大幅度地节约加工工时及电力，获得了巨大的经济效益。例如一汽、二汽等单位都用陶瓷刀具切削难加工材料，一汽在加工含硼和含磷的汽车缸套时，以实现了全部陶瓷刀具化，对提高工效和保证产品质量起着重要作用。,陶瓷发动机,自从19世纪后期德国的Otto和Diesel先后发明汽油机和柴油机以来，汽车发动机一直用金属材料制造。金属的导热性好而耐热、耐腐蚀性能差，在高温下极易氧化、变形而导致破坏。因此，发动机的燃烧室（汽缸）必须用水或空气冷却，否则就会迅速被高温燃气烧坏而停止工作。这样，进入发动机的燃料产生的人能，大约只有1/3转变为驱动车轴的有用功率，其余1/3被冷却剂带走，另外1/3随废气排出。100多年来

28、，汽车发动机的结构和性能有了很大的改进和提高，有的已达到尽善尽美的境地，但是它的能量利用格局却没有根本性的突破。为了提高发动机热效率，减少能量损耗，这就需要取消或部分取消冷却系统，使用耐高温隔热材料以减少燃烧室热量的损失，使发动机在更高的工作温度下工作。然而，当发动机取消冷却系统以后，燃烧室各部分壁温会大大增加，而在传统柴油机或燃气轮机用的金属零件中，铝合金的耐热极限为350，钢和铸铁的为450，最好的超级耐热合金的耐温极限也不超过1093。因此，金属材料难以满足上述苛刻条件的要求。,高性能结构陶瓷材料由于其具有密度小、热导率低、耐高温、耐磨损以及耐腐蚀等特性，成为制造发动机的理想材料。发动机

29、使用陶瓷材料有如下优点：1、提高发动机热效率 发动机燃烧室采用陶瓷隔热零件并取消冷却系统后，会降低热量损失，增加工作的循环平均温度，从而使循环热效率得到提高。2、减少辅助功率消耗，发动机结构简化 当燃烧室采用陶瓷隔热技术后，可以部分取消或完全取消冷却系统。使发动机不再需要水管、水泵、风扇、散热器等一系列零部件，结构上也可以取消水套。这样，整机结构简化，质量、体积减小，原来用于驱动水泵、风扇的辅助工作亦被取消，输出功率增加。在使用上可摆脱冷却系统故障所带来的麻烦，并几乎不受恶劣气候的影响，其军事用途尤为明显。3、适应多种燃料的燃烧 陶瓷发动机的燃烧室壁温显著升高，有利于燃料的蒸发、着火和燃烧。陶

30、瓷材料抗化学腐蚀性强，可使用质量较差的燃油。4、降低发动机的噪声，减少排气污染 取消或部分取消冷却系统，使风扇噪声降低。另外，由于燃烧室燃烧温度高（最高1370），燃烧完全，可减少对环境的污染。5、减轻质量 陶瓷材料比金属轻60%左右，可减轻发动机的质量。6、资源丰富 陶瓷材料资源丰富，可减少对Co、Ni、Cr等战略物资的依赖。,早在20世纪40年代，就有人用陶瓷取代金属制造发动机燃烧室部件进行实验，这类研究到20世纪50年代末形成热潮，但限于当时的历史条件和技术水平，没有取得成功。20世纪70年代，世界石油危机，节能问题使得利用陶瓷材料制作发动机部件的研究再次引起人们重视。另一方面，人们环境

31、保护意识的增强，也加速了陶瓷发动机的研究进程。自从美国Cummins公司提出陶瓷隔热涡轮复合发动机（陶瓷绝热发动机）的设想受到美国军方和能源部的支持之后，在世界范围内掀起了陶瓷发动机研究的热潮。经过近30年的努力，陶瓷发动机的研究取得了令人瞩目的成就。,贝壳与陶瓷发动机的故事英国帝国化学工业公司的威廉克莱格博士 贝壳坚硬，很不容易摔破原理？贝壳由许多层状的碳酸钙组成的，但在每层碳酸钙中间夹着一层有机质，把层层碳酸钙粘在一起。把碳化硅烧结成薄薄的陶瓷片，然后在每片碳化硅陶瓷上涂上石墨层，再把涂上石墨层的碳化硅陶瓷一层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上，石墨和贝壳中的有机质一样，起黏

32、结剂作用，而且粘得很牢固。在正常情况下能把所有的碳化硅层紧紧粘在一起，只是在遇到冲击力产生裂纹时才分开。但这种冲击力也只能使表面的几层脱掉，而在表面很薄的几层脱掉时就已把大部分冲击能量吸收掉了，避免了使整个零件碎裂。,贝壳与陶瓷发动机的故事 折断这种涂有石墨层的碳化硅陶瓷，所花的力比折断没有石墨结合的整块碳化硅陶瓷所花的力约大100倍。涂石墨的碳化硅陶瓷不仅成本低，而且熔点极高，韧性和木头的韧性很接近，因此不怕颠簸和振动。1990年英国帝国化学工业公司制造了一台能耐高温而不需要冷却系统的陶瓷汽车发动机，并在实验室进行了成功的试验。现在，能制造陶瓷发动机的国家很少，目前只有美国、德国、日本、英国

33、和中国。我国第一辆用陶瓷发动机做动力的大客车，于1991年3月在上海北京之间的公路上行驶了3500千米，沿途不用加冷却水，因为它不需要冷却系统。1991年3月22日，光明日报在第一版显著位置上报道了这个振奋人心的消息。,世界各先进工业国都将研究的重点集中于常规发动机用陶瓷部件的研究开发上。这些部件研制成功以后，可以直接取代金属部件，应用于现有的各种常规车用汽油机和柴油机上，达到改善发动机性能，延长部件使用寿命，减低燃料消耗，减少环境污染的目的。迄今为止，世界上有近十种陶瓷部件，经过长时间实验后证明性能可靠，已投入实际使用和商业生产。,汽车用陶瓷零件,1、柴油机启动用陶瓷电热塞,柴油机全陶瓷电热

34、塞,第一代电热塞用金属制造，第二代是把钨丝埋在氮化硅陶瓷内制成的金属陶瓷电热塞，第三代电热塞是发热体全部用导电陶瓷制造的全陶瓷电热塞。其启动时间、点火稳定性和寿命等都是一代胜过一代。,2、陶瓷涡流室,将整个涡流室喷涂氮化硅陶瓷并在周围设有空气隔层，制成全陶瓷的涡流室，可使涡流室内的燃气温度升高，燃烧得到改善，并降低有害排放物中颗粒物的排放量。,全陶瓷涡流室,3、陶瓷排气管衬里和排气歧管,发动机的排气管的冷热温度是急剧变化的，巨大的热应力可使排气管产生裂纹，以低热导率(1Wm-1K-1)的钛酸铝和磷酸锆钠陶瓷制作发动机排气管，具有良好的隔热效果，可延长其使用寿命。钛酸铝陶瓷具有耐高温抗热震隔热性

35、好(如在600-800，导热系数仅为1一2Wm-1K-1)的特点，是一种用于汽车发动机排气管、排气道理想的隔热材料。用钛酸铝制作的排气管、排气道组装于发动机上，可以保持排气的高温，防止热量流失，提高发动机的热效率。这对于沙漠车、军用越野车、坦克车来说，具有特别重要的实际意义。,德国道依茨（Devtz）公司的B/FL513CP发动机上采用了钛酸铝陶瓷气缸盖排气道，降低了气缸盖的热负荷，避免了进一步强化后气缸盖的热开裂，并保持了排气高温，有利于能量回收，进一步提高了增压器的工作效率，从而使单缸功率由29.4kw提高到33kw-37.96kw。日本日产公司开发了陶瓷-铝复合排气管用于发动机，提高了排

36、气管内温度，使该排气管排气净化效果提高了两倍。山东工业陶瓷研究设计院研制的钛酸铝陶瓷排气管组装在沙漠车无水冷陶瓷发动机上，通过了由新疆汽车厂沙漠汽车研究所负责进行的沙漠车在新疆沙漠地区实际装车11212km的道路使用试验。,4、陶瓷排气管衬里和排气歧管,4、涡轮增压器陶瓷转子,为了提高发动机的功率，增加其进气量非常重要。因此，常对发动机采用增压，而增压方法之一是使用涡轮增压器。它可以不改变发动机的排量而提高其动力性能。但是,由于涡轮增压器存在涡轮滞后现象,为了提高加速性能,减少涡轮滞后,必须降低旋转体的惯性矩,最有效的办法是减轻旋转体的质量。采用陶瓷涡轮转子比金属轻，可缩短响应时间，减少烟雾和

37、粒子排放。根据汽 车用增压器 的使用环境 和条件，特别是在100以下的温度范围，对各种陶瓷材料进行选择 的结果，发现 Si3N4系陶瓷具有质量轻、强度高、耐热冲击和韧性好等优越 性，是制造涡轮转子的理想材料。以Si3N4代替Ni基耐热合金制造 涡轮转子，可使转子单体惯性矩减小，旋转体惯性矩减少。增压器从起动至10万r/min 的加速时间缩短约36%。日本大约有1/4采用增压技术的轿车都已装上了陶瓷涡轮转子，美国则主要用于重载卡车柴油机。,陶瓷在内燃机配气系统上的应用,陶瓷零件在发动机配气系统的滑动件上有大量应用。这些零件主要包括陶瓷摇臂触头、陶瓷气门挺柱、陶瓷气门等。,5、陶瓷摇臂镶块,摇臂是

38、发动机配气机构的关键部件,它将凸轮轴的旋转运动变换成往复运动,以保证进排气门正确工作。对于摇臂,要解决的主要问题一是耐磨损,二是重量。摇臂的磨损将会加大气门间隙,改变气缸内的气体配比,直接影响燃烧效率,排放的气体燃烧不充分,有害气体增加,必然造成环境污染。,摇臂材料发展过程,目前我国还处在第1代镀铬摇臂阶段,摇臂性能不理想,且工艺复杂,镀层易脱落,寿命较短。在摩擦频繁的头部镶上氮化硅陶瓷快，可以大大延长摇臂的使用寿命。柴油机和汽油机均可使用，已投入商业生产。日本已在1984 年研制成功陶瓷镶块摇臂,并开始实用化。,5、陶瓷摇臂镶块,Si3N4 陶瓷镶块材料特点耐磨损 Si3N4陶瓷中的 Si

39、和N之间具有很强的共价键,因此在滑动的界面上电子难以向配对材料移动,具有良好的抗粘着磨损性能。Si3N4 硬度也很高,又耐腐蚀,故对磨粒磨损和抗腐蚀磨损也很有利。在与冷激铸铁凸轮轴对磨过程中,不仅本身的磨损低且冷激铸铁凸轮轴磨损也最小。(2)综合机械性能好,PSZ部分稳定氧化锆,Si3N4、PSZ、SiC 的性能比较,6、陶瓷挺柱和挺柱滚轮,挺柱是连接气门和凸轮的部件，接触面受激烈摩擦。金属挺柱装配上用耐磨性能优越的氮化硅陶瓷制作的圆片和滚轮后，寿命呈数量级的提高。美国DDC公司在60型柴油机挺柱上配用陶瓷滚轮，行驶300多万千米未损坏。现美国、日本均已大规模生产。,挺柱与凸轮的工作状态图,各

40、种挺柱材料的磨损试验结果,7、陶瓷气门,气门是控制发动机燃烧室进气和排气的阀门。气门是保证柴油机工作可靠性和耐久性的重要零件之一。在机车运用时,常常因气门发生裂纹、烧损、凹陷、穴蚀、击穿、磨损过大造成气门关闭不严,引发柴油机功率下降、排气总管温度过高、增压器喘振、甚至柴油机破损等事故。,对发动机气门材料的性能要求：(1)耐高温 气门的工作条件十分恶劣，直接与高温燃气相接触，当柴油机全负荷工作时，排气门的最高温度可达 600800。(2)受热变形小 气门的形状和尺寸等工艺技术要求保证燃气流动时阻力最小,气门关闭时保证燃烧室的气密性以及合理的压缩比。(3)表面硬度高 在高温条件下,一般金属材料的耐

41、腐蚀、耐磨损等机械性能明显下降,只有具备较高的硬度才能减少气门的击穿、穴蚀、烧损等。(4)良好的导热性能 由于传热条件差，又承受很高的热负荷、冲击性的机械负荷及燃气腐蚀会使气门阀盘因受力不均产生附加应力而发生疲劳裂纹、掉块、穿孔甚至断裂等。(5)耐磨性好 气门、气门座在高变冲击负荷作用下,会引起反复变形,由于它们的变形情况不一样,致使气门在落座时与气门座之间会产生相对滑动而发生磨损、下陷及阀盘与阀座的不密贴，过大的磨损使气门杆在导管内摆动量变大,引发漏气、漏油和积碳。,7、陶瓷气门,7、陶瓷气门,陶瓷气门有磨损小、抗氧化腐蚀能力强、导热性能好、受热变形小、使用寿命长等特点。日本钢管公司为提高船

42、用柴油机的耐久性和可靠性，从20世纪80年代就开始研制陶瓷排气门，目标是实现气门锥面陶瓷化，排气门锥面喷涂陶瓷使抗漏气性得到很大的改善。喷涂排气门的金属材料为Ni-Cr，陶瓷材料为Cr3C2。据德国Hoechst公司在两种发动机上进行10万千米道路实验结果表明，装有全套氮化硅陶瓷进、排气门的汽车，可以节约燃料5%10%。陶瓷气门是目前世界各国一致看好的、最有发展前途的发动机部件，因为汽油机和柴油机都要使用气门，而且效果明显。美国和许多欧洲国家都在采取措施，尽早将陶瓷气门投入大规模商业生产。,陶瓷制动器,陶瓷刹车盘不会因水浸而降低性能，而且减速非常快，其制动碟表面的摩擦系数在制动初段比铸铁碟高2

43、5%，这样在急制动时，车子就无需额外的制动辅助技术，单靠制动器便能迅速提供充足的制动力。陶瓷制动器采用6活塞的制动卡钳，在活塞与制动片之间，装有陶瓷隔热体，用以防止制动时产生的高热传人液压组件和制动液，这套刹车系统更可以在800高温下正常工作。保时捷、奔驰等跑车均已采用这类陶瓷制动器,坦克的红外辐射是其被红外探测器发现、并被红外制导武器摧毁的根源，因此降低坦克红外辐射也是隐形技术发展的一个重要方面。步兵战车用效率高、热损耗较小的绝热陶瓷发动机可降低坦克的红外辐射，使其不易被红外探测器发现并被红外制导武器所摧毁，起到良好的隐身效果，提高了生存率。,陶瓷发动机在军事上的应用,陶瓷材料与宇航,1、陶

44、瓷材料与空间技术,飞船作为载人航天器，是一次性的，它使用一次后基本就不能使用了，比如中国的神舟飞船和俄罗斯的联盟飞船都是一次性的。飞船返回舱再入大气层时，大头朝下再入，整个防热大底均处于迎风面上，热流密度高、气流冲刷严重，气动外压的作用也很显著。因此，防热大底是返回舱中尺寸最大、结构最复杂、受力及受热祸合最严重的防热部件。神舟飞船采用的大底耐烧蚀防热材料是一种硅橡胶基防热复合材料，较联盟号防热大底轻，结构比“双子星座号”飞船的防热大底简单。,航天飞机穿越大气层,航天飞机以很高的速度返回大气层时，因与空气摩擦会产生很高的温度，飞机表面与空气摩擦产生的温度将高达1400左右。在航天飞机的外表面披挂

45、着数万快隔热瓦，它们是用陶瓷复合材料做成的，正是采用了这样的措施才能保证航天飞机在空间多次往返。,陶瓷材料与宇航,1、陶瓷材料与空间技术,航天飞机机身上的防热瓦加工,航天飞机的机身是用铝合金制成的，机身表面的70%覆盖着约3万块的隔热瓦，这种隔热瓦材料是用直径为1.5微米的二氧化硅纤维，在1316的高温下与胶体二氧化硅烧结而成的，然后切割成1520厘米的正方形，其厚度为1.315厘米(根据不同的绝热要求，厚度也有差异)。为增加隔热瓦在高温下的热辐射，在隔热瓦上覆盖了一层黑色的含硼硅破盐，同时，为使其能在低温下反射阳光，又在其表面覆盖了一层白色陶瓷。为了防止因隔热瓦与铝合金机身的膨胀差和振动所引

46、起的隔热瓦破损，在机身与隔热瓦之间用聚芳酞胺纤维和毛毡作为缓冲材料，用有机硅胶粘剂粘接，构成缓冲系统。,由于隔热瓦的技术要求相当的精确的工艺，因此每块隔热瓦造价达2000美元。而且隔热瓦都必须由工人手工一块一块安装上去。为保证航天飞机的安全，隔热瓦必须定期进行维护和更换。隔热瓦是疏松、轻质呈脆性的陶瓷材料，耐高温、质量轻，高温下不发生物理和化学变化，故可重复使用。然而它在连接和受力等方面却存在着天生的弱点。整个航天飞机上的防热瓦达数万块，一块出现问题就可能导致机毁人亡。,这张照片是奋进号轨道器成员用吊杆上的摄像头拍下的，显示的是奋进号隔热瓦受损的情形。,这张照片显示的是在奋进号在发射期间，隔热

47、瓦的受损情况以及位置在右舷起落架舱门附近。,2003年2月哥伦比亚号航天飞机失事，机组的7名成员全部丧生。2003年1月16日，哥伦比亚号航天飞机在点火升空时，其巨大的外部燃料箱物体脱落，导致其左翼前部的隔热瓦部分脱落。航天飞机返回大气层时，由于隔热瓦被破坏，导致了机翼温度的显著上升，由于机翼加固螺栓所用的铝材料无法耐高温，再加上长期存在的腐蚀问题，最终致使机翼不堪高温而解体，并引发机体爆炸。,时隔年多，尚未从阴影中完全走出的航天飞机再次飞行。2005年7月26日，发现号航天飞机几经推迟后终于发射升空，却不幸又在隔热瓦上出了问题。一块隔热瓦被撞失效，全世界都为之担忧，好在发现及时，宇航员通过太

48、空行走对其进行了修复。8月9日，在“鬼门关”上走了一回的发现号安全着陆。,宇航员在修补发现号航天飞机上的隔热瓦,发现号航天飞机隔热瓦,德国航空航天中心(DLR)最近新发明了一种碳纤维耐热陶瓷瓦，有望解决目前美国航天飞机耐热陶瓷瓦脱落的难题。它采用一种新的制造工艺，使生产的碳纤维增强碳化硅陶瓷瓦可以反复经受1700的高温，并具有很强的抗冲击性和耐化学性。新型陶瓷瓦的另一突出优点是，在大尺寸下性能稳定，没有裂纹。新型陶瓷瓦已在2005年6月中旬俄罗斯发射的联盟号飞船火箭上首次使用，取得理想的效果。,陶瓷材料与宇航,2、陶瓷材料与固体火箭发动机喷管,在国家技术发明一等奖连续六年空缺后，2004年有两

49、项技术喜获国家技术发明一等奖：由西北工业大学张立同院士主持的“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”获得2004年国家技术发明一等奖。由中南大学黄伯云院士等完成的“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”获得2004年国家技术发明一等奖。,耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术：该项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是一种新型战略性热结构材料，可以替代金属材料来解决目前航空航天器燃料20-30%浪费的问题，以满足其向高速度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。该项目突破了材料制造工艺一系列制约实现工程化的国际性难题，获得了10项国家发明专利，建立了具有自主知识产权的低成本、高性能材料，并

50、成功经受了1100多批次的考核。其成果整体技术跻身国际先进行列，走出自主创新、跨越式发展国际前沿性材料的道路，对国防科技工业和国民经济发展都将发挥重大作用，潜在市场每年约10亿元。我国是继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。,对喷管所用材料的要求 能耐高温（3000K以上）；能耐高压（12MPa以上）；能耐带有固体颗粒速度为2500m/s的燃气流的冲刷；能经受8kJ/m2s的热流及热化学腐蚀；具有结构重量轻、抗热震性好、可靠性高、加工性能好、成本低等特点。,陶瓷基复合材料具有优异的高温强度,是制作固体发动机C/C 喷管和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料,此外,还可用作出口锥和延伸锥的一