无机非金属材料专业毕业论文

新型无机非金属材料的发展与挑战

金属材料、高分子合成材料、无机非金属材料与人们的衣、食、住、行关系非常密切。材料是人类生活必不可少的物质基础。没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视；没有高纯的单晶硅，就没有今天的“奔腾IV”；没有特殊的新型材料，“神舟号”宇宙飞船就无法上天。随着科学和生产技术的发展以及人们生活的需要，一些具有特殊结构、特殊功能的新材料相继研制出来，如半导体材料：超硬材料、耐高温材料、发光材料等，我们称这些材料为新型无机非金属材料。水泥、玻璃、陶瓷等都属于传统的非金属材料，像玻璃刀上的人造金刚石、作为手表轴承的人造红宝石、煤气炉中用于电子打火的压电陶瓷、传输信息的光导纤维都属于新型无机非金属材料。

在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。

氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温结构材料。它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝

陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。

高温氧化物结构陶瓷指熔点高于1728℃的氧化物（如氧化硅晶体）或某些复合氧化物（如氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙和氧化钍等）。它们的重要特点是高温下的化学稳定性好，尤其是抗氧化性能好。但弱点是脆性较大，耐机械冲击性差。利用氧化锆相变作用增韧氧化物陶瓷在20世纪70年代末获较大进展，氧化锆增韧氧化铝，断裂韧性参数由2.9MPa/m2提高到15MPa/m2，抗折强度由350MPa 提高到1200MPa。加有氧化钇的半稳定氧化锆，断裂韧性参数也高达9～16MPa/m2。增韧氧化物陶瓷可用于制造锤子、水果刀、剪刀、轴和发动机部件等，可以承受一定冲击而不碎裂。高温氧化物陶瓷可用作高温炉衬，熔炼稀有金属和纯金属的坩埚，以及磁流体发电装置的高温电极材料和热机材料。

氧化铝结构陶瓷的生产，采用γ－氧化铝（见氧化铝）为原料与少量添加剂（如MgΟ等），经粉碎和混合后按产品的形状，尺寸及用途，采用不同的方法成型。干压成型时需先将混合后的坯料造粒，然后用油压机压制成坯样。采用注浆成型时，则将混合后的粉料制成悬浮料浆，注入石膏模中成型。采用热压注时，用适量石蜡与混合料制成料浆，用热压注机成型。烧成的坯体需按使用的要求，进行机械加工或研磨。

高温非氧化物结构陶瓷包括氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等。其中有发展前途的是氮化硅、碳化硅和氮化硼等材料。与氧化物比较，难熔化合物的热导率较高，热膨胀系数较低，因此具有良好的抗热震性。氮化硅与碳化硅还具有较高强度，硬度仅次于金刚石，耐磨性好，是很好的热机材料。采用氮化硅或碳化硅作为燃气轮机和陶瓷发动机的高温部件，与金属部件比较，可承受较高的工作温度，省去水冷却系统，减轻自重，因而节能效果显著。由于氮化硼具有优良的热稳定性，而且对金属熔体有很好的耐蚀性，用它作为水平连续铸钢的分离环，可较氮化硅有更长的使用寿命。

氮化硅结构陶瓷的烧成，按氮化硅合成的方式可分为反应烧结法和烧结法。反应烧结法是将硅粉预先成型，然后在通氮的情况下烧结，使氮化硅(Si3N4)的形成和烧结同时完成。烧结法是将预先合成的氮化硅粉末在高温与压力同时作用下热压烧结，或是将氮化硅粉末压成坯体后，在高温下无压烧结。

近20年来，世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷复合材料的研究与开发—直十分重视，相继制定了各自的国家发展计划，并投人了大量的人力、物力和财力，对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA制定的先进高温热机材料计划（HITEMP）、DOE／NAsA 的先进涡轮技术应用计划、美国国家宇航计划（NASP）、美国国防

关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象，其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更高，从而提高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的，满足军事和民用热机的需要。

由于陶瓷材料具有高耐磨性、耐高温和抗侵蚀能力，国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上，到目前为止已报道有的法国将CVI法SiC／Cr用于狂风战斗机M88发动机的喷嘴瓣以及将SiC／SiCr用于幻影2000战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片。此外，有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件；美国碳化硅公司用Si34N／SiCw制造导弹发动机燃气喷管；杜邦公司研制出能承受1200－1300℃、使用寿命2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段，美国空军材料实验室的研究人员认为，12O4-1371℃发动机陶瓷基复合材料已经研制成功。由于提高了燃烧温度，取消或减少了冷却系统，预计发动机热效率可从目前的26%提高到46%。英国罗—罗公司认为，未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加大燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21世纪初，陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650℃或更高。

氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，

密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。

外观与性状:润滑,易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。将B2O3与NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B－N键长（156pm）与金刚石在C－C键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO2）、氧化铝等。

透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者使光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-