氮化硅陶瓷材料的研究现状及其应用
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断裂韧性 和微观 结构的 关系 $ 发现 了长柱 状 M 强度 D 5% & )* 晶 粒 能 够 改 善 和 提 高 材 料 的 抗 弯 强 度 和 断 ( 自韧 % 裂韧性 #自此之后 $ & )* 陶瓷研究引起国内外 ( 的极大关注 #到九十年代 $ 许多研究者通过控制 M 5 % & )* 晶 粒 尺 寸 而 获 得 力 学 性 能 优 异 的 自 韧 % & )* ( ( 3 , = 4 材料 #N 等 利用 O 系自韧 9 E & 6 %方法制备 P5QR 其抗弯强度为 ; 断裂韧性为 A ; " SB " " $ % & )*$ <6 9 ( , 0 ! 3 , A 4 S, , ?@ . <6 9 6 T U & V等 利用热压的方法制备 P 其抗弯强度提高到 5 <J5 ’ 9系 自 韧 % & )*$ ( 0 ! , B 4 断裂韧性为 A 罗 学 涛3 , ! ; " $ S, * ?@, . <6 9 <6 9 利 用 热 压 的 方 法 制 备 的 P5 L 其室 9系 自 韧 % & )*$ ( 温抗弯强度和断裂韧性分别为 A ; " SB ; " <6 9和
使用上限温度 ! 5 抗热冲击 滚动接触疲劳失效形式 G
用于航空轴承 ? = / " $ $标准轴承钢或 E= $高速钢 < 21 & 1
" . % 精细陶瓷工具的研制 结 构 陶 瓷 最 广 泛 的 用 途 就 是 用 作 切 削 工 具! 3(UV ’ 4复合材料刀具 @ W X 3/ 增韧 2T 3( 及 V ’ 4 2T / / 弥散增强 & 的 陶 瓷 工 具 都 有 良 好 的 切 削 性 能 ! ’ )% ( 如& ’ )%RV ’ 4复 合 刀 具 的 切 削 寿 命 是 硬 质 合 金 的 ( 最优切削速度高 ( 在 " " $ O" $ $倍 ! O" $倍 ! $ $ $ O
此外 ! 陶瓷材料还被应用于油井用压力球阀 @ 计 量泵柱塞等领域 ! 都发挥了十分理想的作用 -
/ 补强增韧 & ( ’ )% 陶 瓷 的 研 究 现 状
如上所述 ! 高温结构陶瓷材料具有许多优异的 性能 ! 但其致命的弱点就是其脆性 它不象金属那样 具有塑性变形的能力 @ 具有可滑移的位错系统 ! 当外 加 能 量超过一定 的 限 度 时 ! 它只有以形成新的表面 能 来消耗外加能 量! 即在陶瓷体内形成新的裂纹表 万方数据 面导致灾难性破坏 因此 ! 改善和提高陶瓷材料的韧
K , " ( $ $ > 仍保持切削 能力 * ! " # K $年 全 世 界 陶 瓷 刀 具 产值已达十亿美元 -
性成为研究者共同关注的课题 在 高 温 结 构 陶 瓷 的 应 用 领 域! 尤其在陶瓷发动 机的研制中 ! & ’ )% 陶瓷是最佳侯选材料之一 - 关于 ( 一直是国内外广大陶瓷 & ’ )% 陶瓷的补强增韧研究 ! ( 工 作者 关注的 焦 点 ! 到目前已提出了不少有效的方 法& ’ 4纤 维 补 强 增 韧 & ’ )% 材 料 是 研 究 得 比 较 早 ( 但由于诸如纤维分布不均匀 @ 高温下纤 的一种工艺 ! 维性能 下降 @ 纤维与基体热膨胀系数不匹配等一系 因此其实际应用尚待 列问题 仍未 能得 到 彻 底 解 决 ! 时日 其中 Y 代表晶 A & ’ 4 & ’ )% 同 & ’ 4 & ’ )% 相比 < YA ( Z ( 须! 代 表纤维 ? 前者研 究的范 围比 较广 ! 水平也较 ! Z
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杨氏模量 ! L D M 抗压强度 ! ED M 弯曲模量 ! ED M 维氏硬度 ! L D M 韧性 ! CPJ ED M R/ 热膨胀系数 ! Q" $ A 5 R" 热传导率 ! < SC J5?
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氧化铝 ( # $ $ ( # $ / $ $ $ O/ : $ $ ( $ $ O= $ $ " K O/ $ ( O= K ( $ K K $ " / = $ 低 断裂
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强增韧的研究方法及发展方向 % 着重介绍了自韧氮化硅陶瓷的研究进展 , 关键词
+ 先进结构陶瓷材料的研究动态
先进陶瓷材料 % 又称为精细陶瓷或特种陶瓷 % 按 其 使 用和性能分 类 % 可分为先进结构陶瓷和先进功 能陶瓷 , 前者是以利用其力学和热学性能为主的材 料% 因此又可称之为高温结构陶瓷 后者则是以利用 其 电. 磁. 光. 铁 电. 压 电. 热释电等性能及其偶合为 , 长期以来 % 在结构材料中 % 金属材料的应用占据 统治地位 % 但随着现代科学技术的飞速发展 % 人们对 材 料 性能的要求 越 来 越 苛 刻 % 在许多高技术领域仅 仅依靠应用金属材料来获得突破性进展是很困难 先进结构陶瓷材料以其高强度 . 高硬度 . 耐磨损 . 的, 抗 腐 蚀 以 及 低 热 导 等 独 特 的 优 异 性 能% 在 国 防. 能 源. 航空航天 . 机械 . 石化 . 冶金 . 电子等行业 % 正日益 显 示 出其广阔的 发 展 应 用 前 景 % 已引起世界各工业 发达国家的广泛重视 % 各国竞相投入大量的人力 . 物 力予以研究 % 以至形成世界性的 3 陶瓷热 4 例如美国 , 在为期 + 先 进 材 料 和 工 艺 计 划4 (年 的 3 $ * 5667 中% + 8 8 1 . + 8 8 ’年 共 拨 款 1 9 : 1亿 美 元 资 助 结 构 陶
使航天飞机穿过大气层时 ! 高 面积为这种材料保护 !
+ , 温< 超过 " 热量被吸收 * = : $ >? 超精密车床的研制 " . ( 陶瓷轴承 @
之一
目前美国两家公司 已联 合研制 出的 & ’ )% 陶瓷 ( 轴承比轴承钢轻 + 强 度 为 其 /倍 ! 不需要或少 $ ;! 需要润滑油 ! 而成本仅为轴承钢的 " 日本 B A % C C C & D EF 技 术 研 究 院 研 制 出 的 超 精 密 车 床 的 导 轨 和 滑 板! 均为陶瓷制成 ! 该车床可加工出境面光洁度的表
表 " 工业陶瓷和轴承钢的典型特性 项目
( 密度 ! A H I J
氮化硅 ( / = $ ( " $ N( = $ $ : $ $ O" $ $ $ " % O" K = OK ( / $ K $ $ " $ = $ 高 剥落
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+ , 面* -工业用陶瓷材料和轴承钢的特性对比见表 * : , " -
" . / 高温陶瓷用于宇航工程 美 国 哥 伦 比 亚 号 航 天 飞 机! 表层就是被一种代 号为 0 # $ $结构陶瓷制成的 ( " $ $块隔热瓦所包围 ! 1 这是由美国国家航空航 天局 )2& 2 所 属的 0 34 56 航天飞机表层 : $ ;的 7 8 8 9导弹和航天公司研制的 -
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氮化硅陶瓷材料的研究现状及其应用
陈 力# 华中科技大学材料学院 % 武汉 % $ & ’ ( ( ) & * 冯 坚
国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国wenku.baidu.com科技重点实验室 % 长沙 % $ & + ( ( ) ’ *
摘 要 综述了先进 结 构 陶 瓷 材 料 在 国 内 外 的 研 究 和 应 用 现 状% 讨论了氮化硅陶瓷补 高温结构陶瓷 氮化硅 补强增韧 自韧
< 2 而重 量减轻了 ’ ’ ( ;% ( ;/ , 最 近五 十 铃 汽 车 研 制 成功以小型柴油发动机为基础的电子控制陶瓷涡轮
主的材料 % 亦称之为电子陶瓷
/ + 01 2
复合发动机 % 其主要部件全部是用 E F D&. G H I1 等陶 ’ 瓷制造的 , 我国是 + 8 : @年 开 始 进 行 高 温 结 构 材 料 和 陶 瓷
# , 高 -黄勇等人 * 研制出的 & ’ 4 & ’ )% 表现出较好的 YA ( 高温 强度 和断 裂韧性 ! 在" ( : $ > 分别 为 K K $ ED M和 A / 且 表现出 低的 残余应 力和高 的抗 蠕 K C = [J" ! ED M " $ , 变性 能 - 张 长 瑞 等 人 * 采用热压工艺制备 & ’ 4 YA 室温抗弯强度达 K # $ ! " ( = $ > 抗弯强度为 )%! ED M & ’ ( A / 室 温断裂 韧性为 " + # + ! " C % [J" ! ED M ED M S8 ’ \ ] T T
陈力 % 男% 同年免试华中科技大学材料学院攻读硕士学位 ,研究方向为陶瓷基复合材 万方数据 # 作者简介 J $ + 8 ) @ K* % 1 ( ( (年毕业于国防科技大学 % 料. 超微粉碎与粉体工程 % 发表论文多篇 ,
第 %期
陈力等 ^ 氮化硅陶瓷材料的研究现状及其应用
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’ 2 瓷% 占总拨款的 + 足见 其对 结构 陶 瓷 的 重 视 , : ;/ %
在 这 两 年 期 间% 美国有 & (余 所 主 要 大 学 承 担 + < ( ( & 2 余 项 陶 瓷 研 究 课 题/ 许 多 从 事 其 它 材 料 研 究 的 科 % 研人员纷纷转向结构陶瓷材料领域的科研工作 , 当前世界各国先进结构陶瓷材料研究的重点及 主要应用集中在以下几个方面 , + = + 陶瓷发动机的开发研制 陶瓷发动机的开发研制是高温结构陶瓷研究的 主要目标及最重要的应用 , 发动机的零 . 部件一般是 在高温 . 高速运转等苛刻的工况条件下运作 % 普通的 金属 材料或 高分 子 材 料 难 以 满 足 要 求 % 即使高温合 金使用温度也不能超 过 + 而 且效率 较低 , 而 ( < ( >% 陶瓷发动机可提高工作温度$ 改善 + 1 ( ( ?+ @ < ( >* % 发 动 机 性 能% 提 高 燃 烧 效 率% 节 约 能 源,美 国 早 在 + 8 : 1年就由 A B66C DE公司 研制出 试验性 无冷 却 柴 油发动 机 % 现 已 研 制 出 汽 车. 卡 车. 轮船用陶瓷发 动机 , 日本政府也在 + 其 8 : &年制成全陶瓷发动机 % 热效率达 & 节约燃料 < 输出功率提高 : ;% ( ;%
断裂韧性 和微观 结构的 关系 $ 发现 了长柱 状 M 强度 D 5% & )* 晶 粒 能 够 改 善 和 提 高 材 料 的 抗 弯 强 度 和 断 ( 自韧 % 裂韧性 #自此之后 $ & )* 陶瓷研究引起国内外 ( 的极大关注 #到九十年代 $ 许多研究者通过控制 M 5 % & )* 晶 粒 尺 寸 而 获 得 力 学 性 能 优 异 的 自 韧 % & )* ( ( 3 , = 4 材料 #N 等 利用 O 系自韧 9 E & 6 %方法制备 P5QR 其抗弯强度为 ; 断裂韧性为 A ; " SB " " $ % & )*$ <6 9 ( , 0 ! 3 , A 4 S, , ?@ . <6 9 6 T U & V等 利用热压的方法制备 P 其抗弯强度提高到 5 <J5 ’ 9系 自 韧 % & )*$ ( 0 ! , B 4 断裂韧性为 A 罗 学 涛3 , ! ; " $ S, * ?@, . <6 9 <6 9 利 用 热 压 的 方 法 制 备 的 P5 L 其室 9系 自 韧 % & )*$ ( 温抗弯强度和断裂韧性分别为 A ; " SB ; " <6 9和
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氧化锆 = # $ $ / $ = / $ $ $ + $ $ O# $ $ " $ O" ( K O" / " $ / % $ $ : = $ 中等 剥落 A 断裂
强增韧的研究方法及发展方向 % 着重介绍了自韧氮化硅陶瓷的研究进展 , 关键词
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先进陶瓷材料 % 又称为精细陶瓷或特种陶瓷 % 按 其 使 用和性能分 类 % 可分为先进结构陶瓷和先进功 能陶瓷 , 前者是以利用其力学和热学性能为主的材 料% 因此又可称之为高温结构陶瓷 后者则是以利用 其 电. 磁. 光. 铁 电. 压 电. 热释电等性能及其偶合为 , 长期以来 % 在结构材料中 % 金属材料的应用占据 统治地位 % 但随着现代科学技术的飞速发展 % 人们对 材 料 性能的要求 越 来 越 苛 刻 % 在许多高技术领域仅 仅依靠应用金属材料来获得突破性进展是很困难 先进结构陶瓷材料以其高强度 . 高硬度 . 耐磨损 . 的, 抗 腐 蚀 以 及 低 热 导 等 独 特 的 优 异 性 能% 在 国 防. 能 源. 航空航天 . 机械 . 石化 . 冶金 . 电子等行业 % 正日益 显 示 出其广阔的 发 展 应 用 前 景 % 已引起世界各工业 发达国家的广泛重视 % 各国竞相投入大量的人力 . 物 力予以研究 % 以至形成世界性的 3 陶瓷热 4 例如美国 , 在为期 + 先 进 材 料 和 工 艺 计 划4 (年 的 3 $ * 5667 中% + 8 8 1 . + 8 8 ’年 共 拨 款 1 9 : 1亿 美 元 资 助 结 构 陶
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