高溫陶瓷材料的特點(diǎn)和發(fā)展前景探討

李有雯,王同麟

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

高溫陶瓷材料是一類(lèi)能在高溫下保持穩(wěn)定性的陶瓷材料。在航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域中,它們具有很大的潛能。例如,碳化物陶瓷,它具有高熔點(diǎn)、高溫穩(wěn)定性以及優(yōu)越的力學(xué)性能,因此被廣泛應(yīng)用于C/C復(fù)合材料的基體改性研究中[1]。

1 高溫陶瓷材料的組成

高溫陶瓷材料的組成包括基體材料、增強(qiáng)相、燒結(jié)助劑、晶粒長(zhǎng)大抑制劑和表面涂層材料等。這些組成部分相互作用,共同決定了高溫陶瓷材料的性能和應(yīng)用范圍。

1.1 基體材料

基體材料是高溫陶瓷材料的基本組成部分,通常是指陶瓷原料經(jīng)過(guò)配料、成型和燒結(jié)等工藝處理后所得到的致密陶瓷體?；w材料一般是由一種或多種陶瓷原料通過(guò)高溫?zé)Y(jié)所得到的,如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等?；w材料的性能如機(jī)械強(qiáng)度、硬度、耐高溫性能等,主要取決于原料的種類(lèi)和燒結(jié)工藝。

1.2 增強(qiáng)相

增強(qiáng)相是高溫陶瓷材料中另一種重要的組成部分,它通常以顆粒狀或纖維狀的形式均勻分布在基體材料中,以提高材料的強(qiáng)度、韌性和耐高溫性能。常用的增強(qiáng)相包括碳化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維等。增強(qiáng)相的加入可以顯著提高高溫陶瓷材料的力學(xué)性能,同時(shí)還可以改善材料的抗熱震性能。

1.3 燒結(jié)助劑

燒結(jié)助劑是高溫陶瓷材料中用來(lái)促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程的重要成分,其作用是在燒結(jié)過(guò)程中降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度和促進(jìn)燒結(jié)體的致密化。常用的燒結(jié)助劑包括硼酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等。燒結(jié)助劑的加入可以加速高溫陶瓷材料的燒結(jié)過(guò)程,同時(shí)還可以改善材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能。

1.4 晶粒長(zhǎng)大抑制劑

晶粒長(zhǎng)大抑制劑是用來(lái)抑制高溫陶瓷材料燒結(jié)過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的重要成分。高溫陶瓷材料的晶粒大小對(duì)其性能有很大的影響,過(guò)大的晶粒會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度和韌性的降低。常用的晶粒長(zhǎng)大抑制劑包括稀土元素、鈦化合物等。晶粒長(zhǎng)大抑制劑的加入可以有效地抑制晶粒長(zhǎng)大過(guò)程,從而提高材料的力學(xué)性能。

1.5 表面涂層材料

表面涂層材料是用來(lái)改善高溫陶瓷材料表面性能的重要成分,通常是指在陶瓷表面涂覆一層具有優(yōu)異性能的涂層材料,以提高其耐磨性、抗氧化性和抗腐蝕性等性能。常用的表面涂層材料包括金屬涂層、非金屬涂層和復(fù)合涂層等。表面涂層材料的加入可以顯著提高高溫陶瓷材料的表面性能,延長(zhǎng)其使用壽命。

2 高溫陶瓷材料的分類(lèi)

2.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷是指以氧化物為基體的陶瓷材料,具有優(yōu)異的耐高溫性能、抗氧化性能和抗腐蝕性能,可用于制造高溫爐具、熱電偶套管、航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。常見(jiàn)的氧化物陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯和氧化鎂等[1]。

2.2 氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是指以氮化物為基體的陶瓷材料,具有優(yōu)異的耐磨性能、耐高溫性能和抗腐蝕性能,可用于制造切削刀具、軸承類(lèi)零件、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等。常見(jiàn)的氮化物陶瓷包括氮化硅、氮化硼和氮化鈦等[1]。

2.3 碳化物陶瓷

碳化物陶瓷是指以碳化物為基體的陶瓷材料,具有優(yōu)異的耐磨性能、耐高溫性能和抗腐蝕性能,可用于制造切割工具、噴嘴、密封件等。常見(jiàn)的碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼和碳化鈦等。

2.4 硼化物陶瓷

硼化物陶瓷是指以硼化物為基體的陶瓷材料,具有良好的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的耐高溫性能以及抗腐蝕性能,可用于制造熱壓鑄模具、熱電偶套管、航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等[2]。常見(jiàn)的硼化物陶瓷包括二硼化鈦、二硼化鋯等。

2.5 硅化物陶瓷

硅化物陶瓷是指以硅化物為基體的陶瓷材料,具有優(yōu)異的耐高溫性能、抗氧化性能和良好的導(dǎo)熱性能,可用于制造高溫爐具、熱電偶套管、航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。常見(jiàn)的硅化物陶瓷包括硅化鋁、硅化鋯等。

2.6 玻璃陶瓷

玻璃陶瓷是一種具有玻璃相和陶瓷相雙重結(jié)構(gòu)的材料。玻璃相具有優(yōu)異的韌性和耐沖擊性能,而陶瓷相具有優(yōu)異的耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃陶瓷可用于制造餐具、航空航天器部件等。

2.7 金屬陶瓷

金屬陶瓷是以金屬為基體,以陶瓷為增強(qiáng)相,是一種復(fù)合材料[3]。具有優(yōu)異的耐磨性能、耐高溫性能和良好的導(dǎo)熱性能,可用于制造切削刀具、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。常見(jiàn)的金屬陶瓷包括鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料等。

2.8 復(fù)合陶瓷

復(fù)合陶瓷是指由兩種或兩種以上不同類(lèi)型陶瓷材料組成的復(fù)合材料[3]。具有綜合的優(yōu)異性能,可用于制造刀具、滑動(dòng)軸承等耐磨部件及熱機(jī)部件等。常見(jiàn)的復(fù)合陶瓷包括氧化鋁-氮化硅復(fù)合材料、氮化硅-碳化硅復(fù)合材料等。

3 高溫陶瓷材料的特性及優(yōu)化

高溫陶瓷材料性能優(yōu)異,但是為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,需要對(duì)其組成進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 機(jī)械強(qiáng)度

高溫陶瓷材料需要具備較高的強(qiáng)度,可以抵抗由于外部載荷或者環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力[3]。為了增加強(qiáng)度,可以采取以下措施:

1)選擇高強(qiáng)度、高硬度基體材料:基體材料的強(qiáng)度對(duì)整個(gè)陶瓷材料的強(qiáng)度有著決定性的影響,如氧化鋁、碳化硅等。

2)加入增強(qiáng)相:增強(qiáng)相可以顯著提高高溫陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性?？梢赃x擇纖維狀或顆粒狀的增強(qiáng)相,如碳化硅纖維、氧化鋁纖維等,均勻分布在基體材料中。

3)優(yōu)化制備工藝:制備工藝對(duì)高溫陶瓷材料的強(qiáng)度有著重要的影響?？梢圆捎孟冗M(jìn)的成型和燒結(jié)工藝,如凝膠注模法、熱壓燒結(jié)法等,以獲得具有優(yōu)異性能的陶瓷材料。

3.2 熱穩(wěn)定性

高溫陶瓷材料需要在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定,因此需要提高其熱穩(wěn)定性。為了提高熱穩(wěn)定性,可以采取以下措施:

1)選擇高熔點(diǎn)材料:高熔點(diǎn)材料具有較高的熱穩(wěn)定性,如氧化鋯、碳化硅等。

2)加入晶粒長(zhǎng)大抑制劑:晶粒長(zhǎng)大抑制劑可以抑制高溫陶瓷材料燒結(jié)過(guò)程中晶粒的長(zhǎng)大,從而提高材料的熱穩(wěn)定性。可以選擇稀土元素、鈦化合物等作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑。

3)優(yōu)化熱處理工藝:熱處理工藝對(duì)高溫陶瓷材料的熱穩(wěn)定性有著重要的影響?？梢圆捎煤线m的熱處理溫度和時(shí)間,以獲得具有優(yōu)異性能的材料。

3.3 抗蠕變性

高溫陶瓷材料在高溫環(huán)境下容易發(fā)生蠕變,影響其使用壽命和安全性。為了提高抗蠕變性,可以采取以下措施:

1)選擇低蠕變性的基體材料:低蠕變性的基體材料具有較低的化學(xué)活性,可以降低材料發(fā)生蠕變的概率,如莫來(lái)石、堇青石等。

2)加入增強(qiáng)相:增強(qiáng)相可以提高高溫陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性,降低發(fā)生蠕變的概率?？梢赃x擇纖維狀或顆粒狀的增強(qiáng)相,如碳化硅纖維、氧化鋁纖維等。

3)優(yōu)化制備工藝:制備工藝對(duì)高溫陶瓷材料的抗蠕變性有著重要的影響?？梢圆捎孟冗M(jìn)的成型和燒結(jié)工藝,如凝膠注模法、熱壓燒結(jié)法等,以獲得具有優(yōu)異性能的材料。

3.4 抗腐蝕性

高溫陶瓷材料需要具備較高的抗腐蝕性,以抵抗酸性或堿性介質(zhì)等對(duì)其表面的腐蝕。為了提高抗腐蝕性,可以采取以下措施:

1)選擇具有較高抗腐蝕性的基體材料,如氧化鋁、碳化硅等。

2)表面涂層處理:在高溫陶瓷材料的表面涂覆一層具有抗腐蝕性的涂層材料,如耐蝕涂層、耐磨涂層等,以提高其抗腐蝕性能。

3)陽(yáng)極氧化處理:通過(guò)陽(yáng)極氧化處理在高溫陶瓷材料表面形成一層致密的氧化膜,以提高其抗腐蝕性能。

3.5 輕量化

高溫陶瓷材料通常具有較高的密度,為了滿足輕量化的要求,可以選擇密度較低的基體材料,如氧化鋁、碳化硅等。

4 幾種常見(jiàn)的高溫陶瓷材料

4.1 氧化鋁陶瓷(Al2O3)

氧化鋁陶瓷的主要成分是氧化鋁,經(jīng)過(guò)燒結(jié)工藝制成,具有機(jī)械強(qiáng)度好、表面光滑、耐磨性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn),但它的抗彎強(qiáng)度較低。適用于機(jī)械、模具、紡織、石油、化工、耐火材料等領(lǐng)域。最高使用溫度1 200 ℃。

4.2 氧化鋯陶瓷(ZrO2)

氧化鋯陶瓷具有高硬度、高耐磨性、與鋼材接近的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。常用于連接陶瓷和鋼的材料,適用于精密設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。最高使用溫度1 000 ℃。

4.3 碳化硅陶瓷(SiC)

碳化硅陶瓷是一種非常優(yōu)異的高溫陶瓷材料,具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕,以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性、低熱膨脹性、非常耐酸和堿等特點(diǎn)[3],在高溫下仍能保持其優(yōu)良的性能,適用于爐具材料、耐高溫零件等領(lǐng)域,也可用于制造高溫成型、高速工具、高溫耐磨零件等。最高工作溫度1 400 ℃。

4.4 氮化硅陶瓷(Si3N4)

氮化硅陶瓷也是一種優(yōu)秀的高溫材料,具有極高的硬度、優(yōu)良的斷裂韌性、優(yōu)異的抗彎強(qiáng)度等特點(diǎn)。它的主要成分是氮化硅,經(jīng)過(guò)燒結(jié)工藝制成。氮化硅陶瓷可以耐受高溫達(dá)到1 800 ℃以上,最高工作溫度1 400 ℃,但它的脆性較大。適用于高速高精度陶瓷軸承、高溫成型、高速工具等領(lǐng)域,比如航空航天、機(jī)械工程等。

5 高溫陶瓷材料的制備工藝及優(yōu)化

為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,高溫陶瓷材料的制備工藝需要進(jìn)行優(yōu)化。以下是一些優(yōu)化高溫陶瓷材料制備工藝的建議:

5.1 原料優(yōu)化

高溫陶瓷材料的原料對(duì)其性能有著重要的影響,可以通過(guò)以下措施進(jìn)行優(yōu)化:

1)選擇高純度原料:高純度原料可以降低雜質(zhì)含量,提高高溫陶瓷材料的純度和性能。

2)選擇合適的顆粒尺寸:原料的顆粒尺寸對(duì)高溫陶瓷材料的制備工藝和性能有著重要的影響。選擇合適的顆粒尺寸可以提高材料的致密度和強(qiáng)度。

3)進(jìn)行原料混合:通過(guò)將不同性質(zhì)的原料進(jìn)行混合,可以獲得具有優(yōu)異性能的高溫陶瓷材料。

5.2 粉體制備

粉體制備是高溫陶瓷材料制備工藝中的重要環(huán)節(jié)。為了優(yōu)化制備工藝,需要選擇合適的制備方法和工藝參數(shù)。

1)選擇合適的制備方法:可以采用化學(xué)法、物理法等不同的制備方法來(lái)制備高溫陶瓷材料。根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的制備方法可以提高材料的性能。

2)控制粉體粒度分布:粉體粒度分布對(duì)高溫陶瓷材料的制備工藝和性能有著重要的影響?？刂品垠w粒度分布可以提高材料的致密度和強(qiáng)度。

3)進(jìn)行粉體表面改性:通過(guò)表面改性技術(shù)可以改善粉體的表面性質(zhì),提高粉體的流動(dòng)性、可塑性和燒結(jié)性能。

5.3 燒成工藝

燒成工藝是高溫陶瓷材料制備工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了優(yōu)化制備工藝,需要選擇合適的燒成溫度、時(shí)間和氣氛等參數(shù)。

1)選擇合適的燒成溫度:燒成溫度對(duì)高溫陶瓷材料的性能有著重要的影響。選擇合適的燒成溫度可以提高材料的致密度、強(qiáng)度和耐溫性能。

2)控制燒成時(shí)間:燒成時(shí)間對(duì)高溫陶瓷材料的性能也有著重要的影響?？刂茻蓵r(shí)間可以獲得具有優(yōu)異性能的高溫陶瓷材料。

3)優(yōu)化燒成氣氛:燒成氣氛對(duì)高溫陶瓷材料的性能和氧化還原反應(yīng)有著重要的影響。優(yōu)化燒成氣氛可以獲得具有優(yōu)異性能的高溫陶瓷材料。

5.4 表面處理

表面處理是高溫陶瓷材料制備工藝中的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)表面處理能夠達(dá)到改善高溫陶瓷材料的表面性能的目的,以此來(lái)提高其抗腐蝕、抗氧化和抗熱震等性能。

1)進(jìn)行表面涂層處理:通過(guò)表面涂層處理可以改善高溫陶瓷材料的表面性能,提高其抗腐蝕、抗氧化和抗熱震等性能。可以選擇合適的涂層材料和工藝方法,如等離子噴涂、溶膠-凝膠法等。

2)進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)處理:通過(guò)表面微結(jié)構(gòu)處理可以改變高溫陶瓷材料的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu),提高其抗腐蝕、抗氧化和抗熱震等性能。可以選擇合適的微結(jié)構(gòu)處理方法和工藝參數(shù),如激光加工、離子束刻蝕等。

5.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高溫陶瓷材料制備工藝中的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以改變高溫陶瓷材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài),提高其性能和應(yīng)用范圍。

1)選擇合適的結(jié)構(gòu)形狀:可以選擇合適的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸,以提高高溫陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性和耐溫性能等。如采用復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)或異形結(jié)構(gòu)等。

2)進(jìn)行內(nèi)部微結(jié)構(gòu)調(diào)控:通過(guò)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)調(diào)控可以改變高溫陶瓷材料的內(nèi)部形態(tài)和結(jié)構(gòu),提高其性能和應(yīng)用范圍。如采用納米復(fù)合材料、梯度材料等。

6 應(yīng)用案例

高溫陶瓷材料在汽車(chē)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,可以提高汽車(chē)的性能、安全性和可靠性,同時(shí)能夠降低汽車(chē)的維護(hù)成本和使用成本。

6.1 發(fā)動(dòng)機(jī)部件

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的部件,如燃燒室、氣缸套等。與傳統(tǒng)金屬材料相比,高溫陶瓷材料具有更高的耐高溫性能和更低的熱膨脹系數(shù),能夠提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。例如,氧化鋁陶瓷可以用于制造氣缸套,具有耐磨、耐腐蝕、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。

6.2 剎車(chē)系統(tǒng)

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)中的摩擦片。陶瓷摩擦片具有高硬度、高耐磨性、高摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),能夠提高剎車(chē)性能和減少磨損。同時(shí),陶瓷摩擦片還具有低密度、高導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn),能夠提高剎車(chē)的冷卻效果和減少制動(dòng)噪音。

6.3 噴油嘴

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴油嘴。陶瓷噴油嘴具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),能夠提高噴油嘴的壽命和可靠性,同時(shí)能夠提高燃油噴射的精度和效率。

6.4 傳感器

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)傳感器,如氧傳感器、溫度傳感器等。陶瓷傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn),能夠提高傳感器的可靠性和使用壽命,同時(shí)能夠提高汽車(chē)的控制精度和安全性。

6.5 汽車(chē)尾氣處理

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)尾氣處理系統(tǒng)中的催化劑載體。陶瓷催化劑載體具有高比表面積、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),能夠提高催化劑的效率和尾氣處理的效果。同時(shí),陶瓷催化劑載體還具有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),能夠提高尾氣處理系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

6.6 密封件

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)中的密封件,如活塞環(huán)、軸套等。陶瓷密封件具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),能夠提高密封效果和減少磨損,同時(shí)能夠提高汽車(chē)的安全性和可靠性。

6.7 汽車(chē)電子

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車(chē)電子設(shè)備中的基板、連接器等。陶瓷基板具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性等優(yōu)點(diǎn),能夠提高電子設(shè)備的散熱效果和可靠性。同時(shí),陶瓷連接器具有高耐壓、高耐高溫等優(yōu)點(diǎn),能夠提高電子設(shè)備的連接效果和使用壽命。

7 未來(lái)發(fā)展

未來(lái),高溫陶瓷材料的研究和應(yīng)用將更加深入,其發(fā)展方向主要包括:

1)研究新型的高溫陶瓷材料,如氮化硅、碳化硅等;

2)提高現(xiàn)有高溫陶瓷材料的性能,如提高氮化硅的斷裂韌性等;

3)探索高溫陶瓷材料的制備技術(shù),如采用3D打印技術(shù)制備復(fù)雜形狀的高溫陶瓷部件等。