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陶瓷的化学性质有哪些

斯文的烤鸡
眯眯眼的高跟鞋
2023-04-25 02:54:39

陶瓷的化学性质有哪些

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2026-02-18 16:10:25

化学性质:钠钙玻璃易水解 耐高温 常用上程陶瓷材料主要包括:金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物,以及非金属元素所组成的化合物,如硼和硅的碳化物和氮化物。根据其元素组成的不同可以分为:氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷。此外,近年来玻璃陶瓷作为结构材料也得到了广泛的应用。2氧化物陶瓷氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主,存在部分共价键,因此具有许多优良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点,良好的电绝缘性能,特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性,在上程领域已得到了较广泛的应用。21氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷又称刚玉瓷,一般以α-A1203为主晶相。根据A1203含量和添加剂的不同,有不同系列。如根据A1203含量不同可分为75瓷,85瓷,95瓷,99瓷等;根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉-莫来瓷和刚玉瓷;根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。Al203陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种;A1203陶瓷与大多数熔融金属不发生反映,只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用;热的硫酸能溶解A1203,热的HCl, HF对其也有一定腐蚀作用;A1203陶瓷的蒸汽压和分解压都是最小的。由于A1203陶瓷优异的化学稳定性,可广泛地用于耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套,输送酸的管道内衬和阀门等。氧化铝的含量高于95%的Al203陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点,因而在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。A1203陶瓷的高硬度和耐磨性在机械领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨零件、刀具。各种发动机中还大量使用A1203陶瓷火花塞。透明Al203陶瓷对于可见光和红外线有良好的透过性,同时具有高温强度高、耐热性好、耐腐蚀性强等特点。可用于制造高压钠灯灯管、红外检测窗口材料等。2 2氧化锆(Zr02)陶瓷Zr02有二种锆同素异形体立方结构(c相)、四方结构(t相)及单斜结构(m相)。根据所含相的成分不同,Zr02陶瓷可分为稳定Zr02陶瓷材料、部分稳定Zr02陶瓷。2 2 1稳定Zr02陶瓷稳定Zr02陶瓷主要由立方相组成,其耐火度高、比热与导热系数小,是理想的高温隔热材料,可以用做高温炉内衬,也可作为各种耐热涂层。稳定Zr02陶瓷化学稳定性好,高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀,但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第V , VI ,VII族金属元素与其不发生反应,可以用来作为熔炼这此金属的坩埚。纯Zr02是良好的绝缘体,由于其明显的高温离子导电特性,可作为2000℃使用的发热元件,高温电极材料,还可用作产生紫外线的灯。此外利用稳定Zr02的氧离子传导特性,可制成氧气传感器,进行氧浓度的测量。2 2 2部分稳定Zr02陶瓷部分稳定Zr02陶瓷由t c双相组织组成,具有非常高的强度,断裂韧性和抗热冲击性能,被称为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小,隔热效果好,而热膨胀系数又比较大,比较容易与金属部件匹配,在日前所研制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。部分稳定Zr02陶瓷还可作为采矿和矿物工业的无润滑轴承,喷砂设备的喷嘴,粉末冶金上业所用的部件,制药用的冲压模等。另外,部分稳定Zr02陶瓷还可用作各种高韧性,高强度工业与医用器械。如纺织工业落筒机用剪刀、羊毛剪,磁带生产中的剪刀,微电子工业用工具,此外由于其不与生物体发生反应,也可用作生物陶瓷材料。23 MgO陶瓷MgO陶瓷的主晶相为MgO,属立方晶系氯化钠结构,熔点2800℃,理论密度358 g/cm2,在高温下比体积电阻高,介质损耗低,介电系数为912具有良好的电绝缘性,属于弱碱性物质。MgO对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力,与镁、镍、铀钍、铝、钼等不起作用,可用于制备熔炼金属的坩锅、浇注金属的模子,高温热电偶的保护管,高温炉的炉衬材料等。3氮化物陶瓷氮化物包括非金属和金属元素氮化物,他们是高熔点物质。氮化物陶瓷的种类很多,但都不是天然矿物,而是人工合成的。日前工业上应用较多的氮化物陶瓷有氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN)等。3 1氮化硅(Si3N4)陶瓷Si3N4陶瓷材料的热膨胀系数小,因此具有较好的抗热震性能;在陶瓷材料中,Si3N4的弯曲强度比较高,硬度也很高,同时具有自润滑性,摩擦系数小,与加油的金属表明相似,作为机械耐磨材料使用具有较大的潜力;Si3N4陶瓷材料的常温电阻率比较高,可以作为较好的绝缘材料;Si3N4陶瓷耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀,也不被铅、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀;高温氧化时材料表面形成的氧化硅膜可以阻碍进一步氧化,抗执化温度达1800℃。Si3N4陶瓷可用作热机材料、切削工具、高级耐火材料,还可用作抗腐蚀、耐磨损的密封部件等。3 2氮化铝(AlN)陶瓷AIN属于共价键化合物,六方晶系,纤维锌矿型结构,白色或灰白色,密度326g/cm2,无熔点,在2200℃- 2250℃升华分解,热硬度很高,即使在分解温度前也不软化变形。具有优异的抗热震性。AlN对Al和其它熔融金属、砷化稼等具有良好的耐蚀性,尤其对熔融Al液具有极好的耐侵蚀性,此外,还具有优良的电绝缘性和介电性质;但AlN的高温抗氧化性差,在大气中易吸潮、水解。AlN可以用作熔融金属用坩锅、热电偶保护管、真空蒸镀用容器,也可用作真空中蒸镀金的容器、耐热砖等,特别适用于作为2000℃左右氧化性电炉的炉衬材料;AlN的导热率是A1203的2-3倍,热压时强度比Al203还高可用于高强度、高导热的场合,例如大规模集成电路的基板等。3 3氮化硼(BN)陶瓷氮化硼(BN)陶瓷存在着六方与立方结构两种BN材料。331六方BN六方BN具有自润滑性,可用于机械密封、高温固体润滑剂,还可用作金属和陶瓷的填料制成轴承。其耐热性非常好,可以在900℃以下的氧化气氛中和2800℃以下的氮气和惰性气氛中使用。六力BN对酸碱和玻璃熔渣有良好的耐侵蚀性,对大多数熔融金属既不润湿也不发生反应,因此可以用作熔炼有色金属、贵金属和稀有金属的坩锅、器皿等部件。BN既是热的良导体,又是电的绝缘体。它的击穿电压是氧化铝的4- 5倍,介电常数是氧化铝的1/2,可用来做超高压电线的绝缘材料。BN对微波和红外线是透明的,可用作透红外和微波的窗口。BN在超高压下性能稳定,可以作为压力传递材料和容器。BN是最轻的陶瓷材料,可以用于飞机和宇宙飞行器的高温结构材料。此外,利用BN的发光性,可用作场致发光材料。涂有BN的无定形碳纤维可用于火箭的喷嘴等。3 32立力BN立方BN为闪锌矿结构,化学稳定性高,导热及耐热性能好,其硬度与人造金刚石相近,是性能优良的研磨材料。与金刚石相比,其最突出的优点在于高温下不与铁系金属反应,并且可以在1400℃的温度使用。立力BN除了直接用作磨料外,还可以将其与某些金属或陶瓷混合,经烧结制成块状材料,作为各种高性能切削刀具。4碳化物陶瓷典型碳化物陶瓷材料一有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)碳化钛(TiC)碳化锆( ZrC等)、碳化物的共同特点是高熔点,许多碳化物的熔点都在3000℃以上。碳化物在非常高的温度下均会发生氧化,但许多碳化物的抗氧化能力都比W,Mo等高熔点金属好。大多数碳化物都具有良好的电导率和热导率,许多碳化物都有非常高的硬度,特别是B4C的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼,但碳化物的脆性一般较大。4 1碳化硅(SiC)陶瓷碳化硅没有熔点,在常压下2500℃时发生分解。碳化硅的硬度很高,莫氏硬度为92-95,显微硬度为33400MPa,仅次于金刚石、立力BN和B4C等少数几种物质。碳化硅的热导率很高,大约为Si3N4的2倍;其热膨胀系数大约相当于A1203的1/2;抗弯强度接近Si3N4材料,但断裂韧性比Si3N4小;具有优异的高温强度和抗高温蠕变能力,热压碳化硅材料在1600℃的高温抗弯强度基本和室温相同;抗热震性好。其化学稳定性高,不溶于一般的酸和混合酸中。氧化物、氮化物结合碳化硅材料已经大规模地用于冶金、轻工、机械、建材、环保、能源等领域地炉膛结构材料、隔焰板、炉管、炉膛等;碳化物材料制备的发热元件正逐步1600℃以下氧化气氛加热的主要元件;高性能碳化硅材料可以用于高温、耐磨、耐腐蚀机械部件;碳化硅材料用于制造火箭尾气喷管高效能热交换器也取得了良好的效果;此外,碳化硅是各种高温燃气轮机高温部件提高使用性能的重要候选材料。42碳化硼(BC)陶瓷碳化硼的显著特点是高熔点(约2450℃);低比重,其密度仅是钢的1/3;低膨胀系数;高导热;高硬度和高耐磨性,其硬度仅低于金刚石和立方BN;较高的强度和一定的断裂韧性,热压B4C的抗弯强度为400-600MPa,断裂韧性为60MPaml/2;具有较大的热电动势(100 μV/k),是高温P型半导体,随B4C中碳含量的减少,可从P型半导体转变为N型半导体;具有高的中子吸收截面。B4C所具有的优异性能,除了大量用作磨料之外,还可以制作各种耐磨零件、热电偶元件、高温半导体、宇宙飞船上的热电转化装置、防弹装甲、反应堆控制棒与屏蔽材料等。5玻璃陶瓷材料将特定组成(含晶核剂)的玻璃进行晶化热处理,在玻璃内部均匀析出大量微小晶体并进一步长大,形成致密微晶相,玻璃相填充于晶界,得到像陶瓷一样的多晶固体材料统称为玻璃陶瓷,也称之为微晶玻璃。5 1低膨胀玻璃陶瓷这类玻璃陶瓷的特点是其显微组织为架状硅酸盐,主晶相分别为β一石英、β一钾辉石、β一钾霞石,具有热膨胀系数低(可为负值)、强度高、热稳定性能好、使用温度高等特点,并可制成透明和浊白两种类型。低膨胀系数对于构件尺寸稳定性及抗热震是十分有利的,所以可以用作航天飞机上尺寸稳定性要求高的零件。低膨胀玻璃陶瓷是目前生产量最大的玻璃陶瓷,广泛用来制作各种高级炊具、高温作业观察窗、微波炉盖、大型天文望远镜和激光反射镜的支撑棒,激光元器件以及航天飞机上的重要零部件。5 2表面可强化玻璃陶瓷玻璃陶瓷的强度比一般玻璃要大好几倍,抗弯强度可达到88-250MPa,但在某些特殊场合仍然不能满足要求,需要进一步提高强度。由于脆性材料的破坏大多起源于表面微裂纹,可以采用在玻璃陶瓷材料表面引入压应力薄层的方法,阻止表面微裂纹的扩展,从而提高材料的强度。通常采用的两种方法有两种,一是利用表层和内部热膨胀差引入表面压应力层,二是采用离子交换引入表面压应力层。53可加工玻璃陶瓷可加工玻璃陶瓷容易机械加工的主要原因在于其主晶相为氟云母结构,已发现可加工玻璃陶瓷中的氟云母主要有3种:氟金云母、四硅氟云母和锂云母。由于云母片易于解理,这种独特的显微结构使得含云母的玻璃陶瓷可以采用普通的钻、锯或车削、磨等加工到精密尺寸。以氟云母为主晶相的可加工玻璃陶瓷,具有高热震抗力、优异的绝缘性能、高介电强度;低介电损耗。碱土云母可加工玻璃陶瓷具有较高的强韧性、更高的热稳定性(>1100℃)和绝缘性。因此,可加工玻璃陶瓷,在电绝缘、微波技术以及精密仪器和航空、航天领域具有广阔的应用前景。

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含蓄的蜜粉
温暖的铃铛
2026-02-18 16:10:25

有。前置过滤器对自来水中的二次污染物例如泥沙、铁锈、颗粒、漂浮物、微生物等等污染物可以在进去家里之前有效的过滤掉;其次由于前置过滤器的过滤作用,就可以避免以上的污染物对我们家里的净水器、热水器、花洒等损伤,从而可以延长以上电器的使用寿命。所以前置过滤器的过滤作用,无论是对身体健康还是对家用设备都有很大的好处,还是值得安装的。前置过滤器注意事项安装在室内的室温不得低于0度,由于水在凝固过程中体积会膨胀,如果结冰,直接导致前置过滤器的管路、滤瓶等出现爆裂,从而发生漏水。如果安装在室外,必须有防冻措施,如果没有防冻措施可能会导致前置过滤器冻裂,温度在零度以下必须停止使用前置过滤器。如果长时间不使用前置过滤器或者需要外出,必须关闭进水球阀,将滤瓶中的水全部排出,再次使用前先检查机器外观是否正常。

高兴的小笼包
伶俐的小蜜蜂
2026-02-18 16:10:25

陶瓷辊棒是指以粘土质耐火原料与天然矿物原料经过精选、粉碎、成形、煅烧等过程而 制成的耐火制品。陶瓷辊棒作为一种耐火窑具,在辊道烧成窑和辊道干燥窑中起支承、传送陶瓷坯体和产品的作用,是辊道窑的核心部件,它为辊道窑的节能、缩短烧成周期与自动化运作作出了重要贡献,在建筑卫生陶瓷、日用陶瓷、电子陶瓷、磁性材料、玻璃热处理、耐磨器件等领域得到广泛应用。陶瓷辊棒的分类 陶瓷辊棒按材质可分为以下几类: 堇青石-莫来石辊棒:抗热震性能优异,但由于其荷重软化温度低,最高使用温度在 1300℃ 以下,主要应用在低温发热管的载体上。熔融石英质辊棒:热膨胀系数低、 抗热震性能很好,由于使用温度较低,多用于玻璃退火炉等。刚玉-莫来石辊棒:这种辊棒是由刚玉(Al2O3)和莫来石(3Al2O3·2SiO2)组成的复相陶瓷材料,具有高温性能好、 耐火性好等特点,与单一的刚玉或莫来石材料相比,具有更加优异的抗急冷急热性能。

由于其硬度较大,耐磨性和抗氧化性都较好,基本能满足现代建筑卫生陶瓷和日用陶瓷烧成的要求;其使用温度可达 1400℃甚至更高,价格低廉,为目前生产用量最大的一种辊棒。碳化硅辊棒:碳化硅辊棒强度高、抗热震性好,有良好的抗高温蠕变性能。常见的碳化硅辊棒有重结晶碳化硅辊棒和反应烧结碳化硅辊棒,重结晶碳化硅棒,氧化气氛下使用温度可达1600℃,但价格昂贵;价格稍低的反应烧结碳化硅辊棒,可用于 1300~1350℃,多用于卫生陶瓷、电瓷、日用陶瓷的烧成。碳化硅陶瓷辊棒的缺点是:容易被腐蚀,去污能力差、价格昂 贵、热传导率高,从而限制了它的使用推广。陶瓷辊棒按使用温度可分为高温瓷辊、中高温瓷辊、中温瓷辊、中低温瓷辊、急冷带抗弯瓷辊等。

温暖的电源
眯眯眼的豌豆
2026-02-18 16:10:25
新材料在军事工业中的应用与发展
一 前言
新材料,又称先进材料(Advanced Materials),是指新近研究成功的和正在研制中的具有优异特性和功能,能满足高技术需求的新型材料。人类历史的发展表明,材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的里程碑。
材料技术一直是世界各国科技发展规划之中的一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。材料高技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者,新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。
二 军用新材料的战略意义
军用新材料是新一代武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术。而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术,是现代精良武器装备的关键,是军用高技术的重要组成部分。世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视,加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。
三 军用新材料的现状与发展
军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类,主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中。
1 军用结构材料
11 铝合金
铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点,作为结构材料,因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件刚、强度。所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。
铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等;在航天工业中,铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料,在兵器领域,铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上,最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。
近年来,铝合金在航空航天业中的用量有所减少,但它仍是军事工业中主要的结构材料之一。铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温,在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金(2000系列)和铝锌镁合金(7000系列)。
新型铝锂合金应用于航空工业中,预测飞机重量将下降8~15%;铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展,铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。
2 钛合金
钛合金具有较高的抗拉强度(441~1470兆帕),较低的密度(45g/cm3),优良的抗腐蚀性能和在300~550oC温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性,是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点,采用超塑成形-扩散连接技术,可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。
钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等;在航天工业中,钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。50年代初,在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件;60年代,钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中;70年代以来,钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加,从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机,它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%,在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%;80年代以后,钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展,一架B1B飞机需要90402公斤钛材。现有的航空航天用钛合金中,应用最广泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。近年来,西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金,它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金,这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用前景。
随着现代战争的发展,陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应能力的多功能的先进加榴炮系统。先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术。自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武器发展的必然趋势。在保证动态与防护的前提下,钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量,还可以减少火炮身管因重力引起的变形,有效地提高了射击精度;在主战坦克及直升机-反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造,这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。
在过去相当长的时间里,钛合金由于制造成本昂贵,应用受到了极大的限制。近年来,世界各国正在积极开发低成本的钛合金,在降低成本的同时,还要提高钛合金的性能。在我国,钛合金的制造成本还比较高,随着钛合金用量的逐渐增大,寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。
13 复合材料
先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料,它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等,它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点,是国防工业发展中最重要的一类工程材料。
141 树脂基复合材料
树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点,广泛应用于军事工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体,加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料;而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物,它可以溶解在溶剂中,也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体,冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能,制备工艺容易实现,原料丰富。在航空工业中,树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道;在航天领域,树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料,而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体,也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强,微波介电性能佳,尺寸稳定性好等优点,广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。
143 金属基复合材料
金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体,而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类,其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证,如用于F-16战斗机作为腹鳍代替铝合金,其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时,还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性,成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等;碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点,可用于制作火箭、导弹构件,红外及激光制导系统构件,精密航空电子器件等;碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能,是高推重比发动机的理想结构材料,目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域,金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托,反直升机 / 反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件,以此来减轻战斗部重量,提高作战能力。
145 陶瓷基复146 合材料
陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体,与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称,由此可见,陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料,它克服了陶瓷材料固有的脆性,已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点,是未来军事工业发展的关键支撑材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好,但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀,它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。
147 碳-碳复材料
碳-碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳-碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳-碳复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80年代以来,碳-碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中,碳-碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳-碳鼻锥帽和机翼前缘,用量最大的碳-碳产品是超音速飞机的刹车片。碳-碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材料,具体而言,它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳-碳喷管材料密度为187~197克/厘米3,环向拉伸强度为75~115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳-碳复合材料。
随着现代航空技术的发展,飞机装载质量不断增加,飞行着陆速度不断提高,对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳-碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好,用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。
15 超高强度钢和先进高温合金
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢,它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。超高强度钢大量用于制造火箭发压容器和一些常规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大,钢在飞机上用量有所减少,但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前,在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M,是典型的飞机起落架用钢。此外,低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时,不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。
高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在600~1200oC高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金,它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同,高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。发动机涡轮盘在60 年代前一直是用锻造高温合金制造,典型的牌号有A286和Inconel 718。70年代,美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘,大大增加了它的推重比,使用温度显著提高。从此,粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘,与粉末高温合金相比,工序简单,成本降低,具有良好的锻造加工性能,是一种有极大发展潜力的制备技术。
16 钨合金
钨的熔点在金属中最高,其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性,在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性。在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部。钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术,细化了材料的晶粒,拉长了晶粒的取向,以此提高材料的强韧性和侵彻威力。我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为W-Ni-Fe,采用变密度压坯烧结工艺,平均性能达到抗拉强度1200兆帕,延伸率为15%以上,战技指标为2000米距离击穿600毫米厚均质钢装甲。目前钨合金广泛应用于主战坦克大长径比穿甲弹、中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹用弹芯材料,这使各种穿甲弹具有更为强大的击穿威力。
17 金属间化合物
金属间化合物具有长程有序的超点阵结构,保持很强的金属键结合,使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能。金属间化合物具有优异的热强性,近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料。在军事工业中,金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上,如美国普奥公司制造了JT90燃气涡轮发动机叶片,美国空军用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等,俄罗斯用钛铝金属间化合物代替耐热合金作活塞顶,大幅度地提高了发动机的性能。在兵器工业领域,坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金,因其比重大、起动惯量大而影响了坦克的加速性能,应用钛铝金属间化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的复合轻质耐热新材料,可以大大改善坦克的起动性能,提高战场上的生存能力。此外,金属间化合物还可用于多种耐热部件,减轻重量,提高可靠性与战技指标。
18 结构陶瓷
陶瓷材料是当今世界上发展最快的高技术材料,它已经由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷。结构陶瓷材料因其耐高温、低密度、耐磨损及低的热膨胀系数等诸多优异性能,在军事工业中有着良好的应用前景。
近年来,国内外对军用发动机用结构陶瓷进行了内容广泛的研究工作,如发动机增压器小型涡轮已经实用化;美国将陶瓷板镶嵌在活塞顶部,使活塞的使用寿命大幅度提高,同时也提高了发动机的热效率。德国在排气口镶嵌陶瓷构件,提高了排气口的使用效能。国外红外热成像仪上的微型斯特林制冷机活塞套和气缸套用陶瓷材料制造,其寿命长达2000小时;导弹用陀螺仪的动力靠火药燃气供给,但燃气中的火药残渣对陀螺仪有严重损伤,为消除燃气中的残渣并提高导弹的命中精度,需研究适于导弹火药气体在2000oC下工作的陶瓷过滤材料。在兵器工业领域,结构陶瓷广泛应用于主战坦克发动机增压器涡轮、活塞顶、排气口镶嵌块等,是新型武器装备的关键材料。目前,20~30毫米口径机关枪的射频要求达到1200发/分以上,这使炮管的烧蚀极为严重。利用陶瓷的高熔点和高温化学稳定性能有效地抑制了严重的炮管烧蚀,陶瓷材料具有高的抗压和抗蠕变特性,通过合理设计,使陶瓷材料保持三向压缩状态,克服其脆性,保证陶瓷衬管的安全使用。
2 军用功能材料
21 光电功能材料
光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料,它能将光电结合的信息传输与处理,是现代信息科技的重要组成部分。光电功能材料在军事工业中有着广泛的应用。碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料;硫化锌、硒化锌、砷化镓主要用于制作飞行器、导弹以及地面武器装备红外探测系统的窗口、头罩、整流罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力,它是较好的红外透射材料。激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料,典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体激光材料等。
22 贮氢材料
某些过渡簇金属,合金和金属间化合物,由于其特殊的晶格结构的原因,氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中,形成了金属氢化物,这种材料称为贮氢材料。
在兵器工业中,坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、自放电率高而需经常充电,此时维护和搬运十分不便。放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温度的影响,在寒冷的气候条件下,坦克车辆起动速度会显著减慢,甚至不能起动,这样就会影响坦克的作战能力。贮氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点,在未来主战坦克蓄电池发展过程中具有广阔的应用前景。
23 阻尼减震24 材料
阻尼是指一个自由振动的固体即使与外界完全隔离,它的机械性能也会转变为热能的现象。采用高阻尼功能材料的目的是减震降噪。因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。
国外金属阻尼材料的应用主要集中在船舶、航空、航天等工业部门。美国海军已采用Mn-Cu高阻尼合金制造潜艇螺旋桨,取得了明显的减震效果。在西方,阻尼材料及技术在武器上的应用研究工作受到了极大的关注,一些发达国家专门成立了阻尼材料在武器装备上应用的研究机构。80年代后,国外阻尼减震降噪技术有了更大的发展,他们借助CAD/CAM在减震降噪技术中的应用,把设计-材料-工艺-试验一体化,进行了整体结构的阻尼减震降噪设计。我国在70年代前后进行了阻尼减震降噪材料的研究工作,并取得了一定的成果,但与发达国家相比,仍有一定的差距。阻尼材料在航空航天领域主要用于制造火箭、导弹、喷气机等控制盘或陀螺仪的外壳;在船舶工业中,阻尼材料用于制造推进器、传动部件和舱室隔板,有效地降低了来自于机械零件啮合过程中表面碰撞产生的振动和噪声。在兵器工业中,坦克传动部分(变速箱,传动箱)的振动是一个复杂振动,频率范围较宽,高性能阻尼锌铝合金和减振耐磨表面熔敷材料技术的应用,大大减轻了主战坦克传动部分产生的振动和噪声。
25 隐身材料
现代攻击武器的发展,特别是精确打击武器的出现,使武器装备的生存力受到了极大的威胁,单纯依靠加强武器的防护能力已不实际。采用隐身技术,使敌方的探测、制导、侦察系统失去功效,从而尽可能地隐蔽自己,掌握战场的主动权。抢先发现并消灭敌人,已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最有效手段是采用隐身材料。国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间,起源在德国,发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。目前,美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空领域,许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身;在常规兵器方面,美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作,并陆续用于装备,如美国M1A1坦克上采用了雷达波和红外波隐身材料,前苏联T-80坦克也涂敷了隐身材料。
隐身材料有毫米波结构吸波材料、毫米波橡胶吸波材料和多功能吸波涂料等,它们不仅能够降低毫米波雷达和毫米波制导系统的发现、跟踪和命中的概率,而且能够兼容可见光、近红外伪装和中远红外热迷彩的效果。
近年来,国外在提高与改进传统隐身材料的同时,正致力于多种新材料的探索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料,使涂层更加薄型化、轻量化。纳米材料因其具有极好的吸波特性,同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点,发达国家均把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和开发;国内毫米波隐身材料的研究起步于80年代中期,研究单位主要集中在兵器系统。经过多年的努力,预研工作取得了较大进展,该项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身,如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克。
目前,世界上正在研制的第四代超音速歼击机,其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层,使其真正具有了隐身功能,而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装;美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用轻质、宽频带吸收、热稳定性好的隐身材料。可以预见,隐身技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要的课题之一。
四 我国军用新材料的产业化趋势
应用于军事工业中的新材料均具有较高的技术含量,因而军用新材料的产业化速度普遍比较缓慢。世界范围内的军用新材料正向功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。由此看来,钛合金、复合材料和纳米材料在军事工业中具有十分良好的产业化前景。
41 钛合金
钛是20世纪五十年代发展起来的一种性能优异、资源丰富的金属。随着军事工业对高强低密度材料需求的日益迫切,钛合金的产业化进程显著加快。在国外,先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的30~35%。我国在“九五”期间,为满足航空、航天、舰艇等部门需要,国家把钛合金作为新材料的发展重点之一,预计“十五”将成为我国钛合金新材料新工艺的高速发展时期。
42 复合材料
军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料,在这种条件下国在先进复合材料的研制和应用方面取得了很大的成绩,它在“十五”期间的发展会更加引人注目。21世纪复合材料的发展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。
44 纳米材料
纳米技术是现代科学和技术相结合的产物,它不仅涉及到现有的一切基础性科学技术领域,而且在军事工业中有着广泛的应用前景。随着未来战争突然性的急剧增大,各种探测手段越来越先进。为适应现代化战争的需要,隐身技术在军事领域占有十分重要的地位。纳米材料对雷达波的吸收率较高,从而为兵器隐身技术的发展提供了物质基础。