高溫陶瓷材料的特點和發展前景探討

李有雯,王同麟

(蘭州石化職業技術大學,甘肅 蘭州 730000)

高溫陶瓷材料是一類能在高溫下保持穩定性的陶瓷材料。在航空航天、汽車工業等領域中,它們具有很大的潛能。例如,碳化物陶瓷,它具有高熔點、高溫穩定性以及優越的力學性能,因此被廣泛應用于C/C復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、增強相、燒結助劑、晶粒長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過配料、成型和燒結等工藝處理后所得到的致密陶瓷體。基體材料一般是由一種或多種陶瓷原料通過高溫燒結所得到的,如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等。基體材料的性能如機械強度、硬度、耐高溫性能等,主要取決于原料的種類和燒結工藝。

1.2 增強相

增強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,以提高材料的強度、韌性和耐高溫性能。常用的增強相包括碳化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維等。增強相的加入可以顯著提高高溫陶瓷材料的力學性能,同時還可以改善材料的抗熱震性能。

1.3 燒結助劑

燒結助劑是高溫陶瓷材料中用來促進燒結過程的重要成分,其作用是在燒結過程中降低陶瓷材料的燒結溫度和促進燒結體的致密化。常用的燒結助劑包括硼酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等。燒結助劑的加入可以加速高溫陶瓷材料的燒結過程,同時還可以改善材料的顯微結構和性能。

1.4 晶粒長大抑制劑

晶粒長大抑制劑是用來抑制高溫陶瓷材料燒結過程中晶粒長大的重要成分。高溫陶瓷材料的晶粒大小對其性能有很大的影響,過大的晶粒會導致材料強度和韌性的降低。常用的晶粒長大抑制劑包括稀土元素、鈦化合物等。晶粒長大抑制劑的加入可以有效地抑制晶粒長大過程,從而提高材料的力學性能。

1.5 表面涂層材料

表面涂層材料是用來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,延長其使用壽命。

2 高溫陶瓷材料的分類

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、航空發動機零部件等。常見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、軸承類零件、燃氣輪機葉片等。常見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,具有良好的導電性能、優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、航空發動機零部件等[2]。常見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,具有優異的耐高溫性能、抗氧化性能和良好的導熱性能,可用于制造高溫爐具、熱電偶套管、航空發動機零部件等。常見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構的材料。玻璃相具有優異的韌性和耐沖擊性能,而陶瓷相具有優異的耐高溫性能和化學穩定性。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,以陶瓷為增強相,是一種復合材料[3]。具有優異的耐磨性能、耐高溫性能和良好的導熱性能,可用于制造切削刀具、航空發動機葉片等。常見的金屬陶瓷包括鋁基復合材料、鈦基復合材料等。

2.8 復合陶瓷

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

3 高溫陶瓷材料的特性及優化

高溫陶瓷材料性能優異,但是為了滿足實際應用的需求,需要對其組成進行優化。

3.1 機械強度

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

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

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

3)優化制備工藝:制備工藝對高溫陶瓷材料的強度有著重要的影響。可以采用先進的成型和燒結工藝,如凝膠注模法、熱壓燒結法等,以獲得具有優異性能的陶瓷材料。

3.2 熱穩定性

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

1)選擇高熔點材料:高熔點材料具有較高的熱穩定性,如氧化鋯、碳化硅等。

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

3)優化熱處理工藝:熱處理工藝對高溫陶瓷材料的熱穩定性有著重要的影響?？梢圆捎煤线m的熱處理溫度和時間,以獲得具有優異性能的材料。

3.3 抗蠕變性

高溫陶瓷材料在高溫環境下容易發生蠕變,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活性,可以降低材料發生蠕變的概率,如莫來石、堇青石等。

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

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

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等對其表面的腐蝕。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)陽極氧化處理:通過陽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,經過燒結工藝制成,具有機械強度好、表面光滑、耐磨性好、耐高溫等優點,但它的抗彎強度較低。適用于機械、模具、紡織、石油、化工、耐火材料等領域。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等特點。常用于連接陶瓷和鋼的材料,適用于精密設備、醫療設備、化學工業等領域。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異的高溫陶瓷材料,具有高強度、高硬度、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕,以及優異的導熱性、低熱膨脹性、非常耐酸和堿等特點[3],在高溫下仍能保持其優良的性能,適用于爐具材料、耐高溫零件等領域,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秀的高溫材料,具有極高的硬度、優良的斷裂韌性、優異的抗彎強度等特點。它的主要成分是氮化硅,經過燒結工藝制成。氮化硅陶瓷可以耐受高溫達到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、高速工具等領域,比如航空航天、機械工程等。

5 高溫陶瓷材料的制備工藝及優化

為了滿足實際應用的需求,高溫陶瓷材料的制備工藝需要進行優化。以下是一些優化高溫陶瓷材料制備工藝的建議:

5.1 原料優化

高溫陶瓷材料的原料對其性能有著重要的影響,可以通過以下措施進行優化:

1)選擇高純度原料:高純度原料可以降低雜質含量,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度。

3)進行原料混合:通過將不同性質的原料進行混合,可以獲得具有優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節。為了優化制備工藝,需要選擇合適的制備方法和工藝參數。

1)選擇合適的制備方法:可以采用化學法、物理法等不同的制備方法來制備高溫陶瓷材料。根據實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度。

3)進行粉體表面改性:通過表面改性技術可以改善粉體的表面性質,提高粉體的流動性、可塑性和燒結性能。

5.3 燒成工藝

燒成工藝是高溫陶瓷材料制備工藝中的關鍵環節。為了優化制備工藝,需要選擇合適的燒成溫度、時間和氣氛等參數。

1)選擇合適的燒成溫度:燒成溫度對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、強度和耐溫性能。

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

3)優化燒成氣氛:燒成氣氛對高溫陶瓷材料的性能和氧化還原反應有著重要的影響。優化燒成氣氛可以獲得具有優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節之一。通過表面處理能夠達到改善高溫陶瓷材料的表面性能的目的,以此來提高其抗腐蝕、抗氧化和抗熱震等性能。

1)進行表面涂層處理:通過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?？梢赃x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)進行表面微結構處理:通過表面微結構處理可以改變高溫陶瓷材料的表面形態和結構,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構處理方法和工藝參數,如激光加工、離子束刻蝕等。

5.5 結構設計

結構設計是高溫陶瓷材料制備工藝中的重要環節之一。通過結構設計可以改變高溫陶瓷材料的內部結構和形態,提高其性能和應用范圍。

1)選擇合適的結構形狀:可以選擇合適的結構形狀和尺寸,以提高高溫陶瓷材料的強度、韌性和耐溫性能等。如采用復雜的多孔結構或異形結構等。

2)進行內部微結構調控:通過內部微結構調控可以改變高溫陶瓷材料的內部形態和結構,提高其性能和應用范圍。如采用納米復合材料、梯度材料等。

6 應用案例

高溫陶瓷材料在汽車工業中有著廣泛的應用,可以提高汽車的性能、安全性和可靠性,同時能夠降低汽車的維護成本和使用成本。

6.1 發動機部件

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車發動機的部件,如燃燒室、氣缸套等。與傳統金屬材料相比,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,能夠提高汽車發動機的工作效率和燃油經濟性。例如,氧化鋁陶瓷可以用于制造氣缸套,具有耐磨、耐腐蝕、低摩擦系數等優點,能夠提高發動機的性能和壽命。

6.2 剎車系統

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車剎車系統中的摩擦片。陶瓷摩擦片具有高硬度、高耐磨性、高摩擦系數等優點,能夠提高剎車性能和減少磨損。同時,陶瓷摩擦片還具有低密度、高導熱性等優點,能夠提高剎車的冷卻效果和減少制動噪音。

6.3 噴油嘴

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車發動機中的噴油嘴。陶瓷噴油嘴具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等優點,能夠提高噴油嘴的壽命和可靠性,同時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、高靈敏度等優點,能夠提高傳感器的可靠性和使用壽命,同時能夠提高汽車的控制精度和安全性。

6.5 汽車尾氣處理

高溫陶瓷材料可以用于制造汽車尾氣處理系統中的催化劑載體。陶瓷催化劑載體具有高比表面積、高穩定性等優點,能夠提高催化劑的效率和尾氣處理的效果。同時,陶瓷催化劑載體還具有耐高溫、耐腐蝕等優點,能夠提高尾氣處理系統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中的密封件,如活塞環、軸套等。陶瓷密封件具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等優點,能夠提高密封效果和減少磨損,同時能夠提高汽車的安全性和可靠性。

6.7 汽車電子

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

7 未來發展

未來,高溫陶瓷材料的研究和應用將更加深入,其發展方向主要包括:

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,如采用3D打印技術制備復雜形狀的高溫陶瓷部件等。