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耐磨陶瓷发展新动向

日期:2015-10-30 19:25

前言

耐磨陶瓷有热压铸、热压、静压及气相沉积等多种成型方法,这些陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能不同于普通陶瓷,故称为耐磨陶瓷或陶瓷,在日本称为精细陶瓷。耐磨陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能,如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。由于性能特殊,这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。一些经济发达的,特别是日本、美国和西欧的,为了加速新技术革命,为产业的发展奠定物质基础,投入大量人力、物力和财力研究开发耐磨陶瓷,因此耐磨陶瓷的发展十分迅速,在技术上也有很大突破。耐磨陶瓷在现代工业技术,特别是在、新技术领域中的日趋重要。本世纪初耐磨陶瓷的市场规模预计将达到500亿美元,因此许多科学家预言:耐磨陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中,必定会占据十分重要的。

 

生产工艺技术方面的新进展

(1)在粉末制备方面,目前引人注目的是超高温技术。利用超高温技术不但可廉价地研制耐磨陶瓷,还可廉价地研制玻璃,如光纤维、磁性玻璃、混合集成电路板、零膨胀结晶玻璃、高强度玻璃、人造骨头和齿棍等。此外,利用超高温技术还可以研制出象钽、钼、钨、钒铁合金和钛等能够应用于太空飞行、海洋、核聚变等领域的材料。例如日本在4000—15000℃和一个大气压以下制造金钢石,其效率比现在普遍采用的低温低压等离子体技术高一百二十倍。

超高温技术具有如下优点:能生产出用以往方法所不能生产的物质;能够获得纯度较高的物质:生产率会大幅度提高;可使作业程序简化、易行。目前,在超高温技术方面居较高的是日本。据统计,2000年日本超高温技术的耐磨陶瓷市场规模也将会超过20万亿日元。此外,溶解法制备粉末、化学气相沉积法制备陶瓷粉末、溶胶K凝胶法生产莫来石超细粉末以及等离子体气相反应法等也引起了人们的关注。在这几种方法中,绝大部分是近年开发研究出来的或是在近期得以完善的。

(2)在成型及烧结方面,热等静压法为引人注目。该法与热压法相比能使物料受到各向同性的压力,因而其瓷质均匀,此外由于热压静法可以施加几千个大气压的高压,这样就使得要烧结的材料能在极低的温度下得以烧结。目前,市场上出售的热等静压法设备的较高使用温度及较高压力通常为2000℃,2000个大气压。

(3)在耐磨陶瓷的精密加工方面,真空扩散焊接法是一种有前途的方法。采用真空扩散焊接法不仅可获得高强度、高致密度、高几何尺寸精度的金属陶瓷制品(泄漏率不大于5×10ˉ11立方米·帕/秒),而且无需使用贵重的稀有焊料,可用于制作各种形状、各种尺寸,特别是大规格的金属陶瓷制品。

另外,采用刀具加工陶瓷也引起了人们的较大兴趣。目前,这方面的工作仅处于研究实验阶段,由于用超高精度的车床和金刚石单晶车刀进行加工,以微米数量级的微小吃刀深度和微小的走刀量,能获得0.1微米左右的加工精度,因而许多把这种加工技术作为超精密加工的一个方面而加以开发研究。

 

应用方面的新发展

耐磨陶瓷由于拥有众多优良性能,因而用途广泛。现按材料的性能及种类简要说明。
(1)、耐热性能优良的耐磨陶瓷可望作为超高温材料用于原子能有关的高温结构材料、高温电极材料等。

(2)、隔热性优良的耐磨陶瓷可作为新的高温隔热材料,用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等。

(3)、导热性优良的耐磨陶瓷极有希望用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片。

(4)、耐磨性优良的硬质耐磨陶瓷用途广泛,目前的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面。

(5)、高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等;在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。目前,这方面的工作开展得较多,许多家如美国、日本、德国等都投入了大量的人力和物力,试图取得较高。这类陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化铝、氧化锆等。

(6)、具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼引人注目,目前国外正在加紧研究。

(7)、生物陶瓷方面目前正在进行将氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究,这方面的应用引起人们较大关注。

 

今后研究与开发的重点

(1)、耐磨陶瓷基础技术的研究,例如烧结机理、检测技术和粉末制备技术等;

(2)、超导陶瓷的研究;

(3)、耐磨陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的正确方法,因而许多都把它作为一项主要内容而加以研究;

(4)、陶瓷的纤维化是研制隔热材料、复合增强材料等的重要基础,目前国外,尤其是日本对陶瓷纤维及晶须增强金属复合材料的研究重视,其研究主要集中于碳化硅及氮化硅;
(5)、多孔陶瓷由于具有特殊结构,所以引起了各界的重视;

(6)、陶瓷与陶瓷或陶瓷与其它材料复合(陶瓷纤维增强陶瓷,陶瓷纤维增强金属)问题也是现阶段的研究重点。

(7)、在非氮化物陶瓷中,目前国外研究较多的是陶瓷发动机,高压热交挽器及陶瓷刀具等;

(8)、随着生物化学,生物医学这些新兴学科的发展,生物陶瓷的开发研究也变得越来越重要。

 

耐磨陶瓷在汽车上的应用

近年来,对于汽车陶瓷发动机的开发研制即将进入正式使用阶段。耐磨陶瓷在汽车上的大量运用,将大大改良汽车自身的质量与功能效率,显示出明显的经济价值与社会价值。

1、优良的机械性能与材料性能

由于汽车行驶的速度越来越快,使用的范围越来越广泛,其使用环境将来越来越苛刻。在许多情况下以传统的金属材料制成的零件与部件已不能满足汽车工业的发展,而将陶瓷制品用于汽车将具备很多优良的功能与机械性能。如可以长期耐20G的振动功能;用于燃烧、排气 零件可以长期忍耐50—60℃急热急冷;机械性能的可靠性高,故障率仅在10ˉ5以下;耐磨陶瓷可与金属或其它材质接合性良好;可以大批量生产且价格低廉等等。

从事汽车材料的研究人员,经过长年的开发、研制、试验与工业化应用证明:许多部位改用陶瓷材料后,其机械特性远远优于金属材料或其它材料制成的零、部件。

2、丰富多样的耐磨陶瓷零、部件

2.1 氧化锆氧传感器

氧化锆陶瓷质氧传感器可靠性很高。作为净化排气的部件,用它测定排气中的O2浓度,再将该测定值反馈给发动机给气及燃料供给系统,以促进内燃机的燃烧经常保持在充分燃烧状态。这样可以达到显著的节能效果。由于采用的陶瓷材料全部的相位是完全立方晶型的稳定氧化锆、四方晶型和单斜晶型混合的部分稳定氧化锆,在使用过程中机械性能优良,而且可以减少许多由于摩擦产生的热,延长部件的使用时间。

2.2 陶瓷气门加热器

为使发动机起动时完全燃烧,在其吸气侧装备有加热装置,亦称气门加热器,以促进加热吸气,使燃料的蒸发混合完全。在吸气加热时,为控制好温度、提高装置的可靠性,将钛酸钡陶瓷系列的PTC(热敏电阻)用作气门加热器。采用陶瓷气门加热器后,发动机一经发动即处于完全燃烧状态,从而达到净气排放与提高燃烧,效率的功效。陶瓷气门加热器即由陶瓷材质的零件构成。

2.3 陶瓷爆燃传感器

为提高汽车燃烧系统燃料效率,人们希望发动机内部的爆燃经常调整在活塞的上止点发生。采用压电陶瓷爆燃传感器即可在反复应用的条件仍然能抗疲劳,延长使用寿命。现在汽车上已经采用装置有PZT陶瓷元件的爆燃传感器。这种陶瓷爆燃传感器使用性能好,使用数千个小时仍保持稳定不变。

2.4 陶瓷发动机方面
陶瓷在汽车中的应用,得到普及发展的有陶瓷活塞型发动机。将来会出现副燃烧室、活塞头、汽缸衬套、汽缸头、增压转子等陶瓷部件与零件。这些部位可以采用氮化硅结合碳化硅或部分稳定氧化锆等耐磨陶瓷材料。在燃气涡轮发动机方面,家用轿车为实现与柴油机同量的燃料费用,涡轮进口温度要高达1350℃,而可以忍耐这一高温的只有碳化硅及氮化硅陶瓷材料。目前,汽车与材料人士们都对碳化硅与氮化硅材料寄以厚望,并确认将来汽车涡轮的转子、定子使用上述耐磨陶瓷材料较为理想。

2.5 汽车减震装置

尤其是较好轿车的减震装置,近年颇受关注。如果利用正压电效应,逆压电效应和电致伸缩效应等智能陶瓷材料研制成智能减震器。这样就可以将轿车因粗糙路面形成的震动降到较低限度,而使乘车人员免受颠波这苦。这类汽车减震装置由于采用高灵敏度陶瓷元件,在轿车行驶中的感知与调节过程仅需20秒即可完成。

结 论

迄今为止,陶瓷界已确认有数10种陶瓷材料应用在汽车制造方面。由于大量采用性能优良的陶瓷零、部件及元件,汽车实现了如下的优点:①节能、节耗、提速;②杜绝废气排放,净化城市环境;③降低噪声污染;④降低机械摩擦产生的废热;⑤抗震与抗磁化,使司乘人员舒适;⑥为实现智能化汽车奠定了基础。展望21世纪的汽车陶瓷,必然会形成大广阔的市场需求,也为陶瓷工业进一步的发展提供了巨大的空间。我国汽车工业正在迈人快速发展增长的阶段,汽车产品中虽然也采用了部分陶瓷元件、部件,但是数量与质量方面远远不够,与同行存在巨大差距,许多汽车用耐磨陶瓷产品尚需国外进口。但也给我国陶瓷工业提供一巨大的市场,因此在未来20年时间中存在很大的发展空间。

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