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什么是陶瓷基复合材料?

2021-05-21 18:20 科普中国网   

经过漫长的发展,现代陶瓷完成了在性能和结构上的飞跃,在人们生活的方方面面扮演着重要的角色。现代陶瓷材料耐高温、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、相对密度轻,这些优良性能使它脱颖而出。但陶瓷的一大特性——脆性,又令陶瓷材料的使用受到限制。在这样的背景下,陶瓷基复合材料应运而生。

什么是陶瓷基复合材料?

陶瓷基复合材料是一种是有陶瓷成分的复合材料。瓷基复合材料可以由任何一种陶瓷成分来构成,一般碳和碳纤维也被认为是陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷,这一名称指出了从陶瓷基体到陶瓷基复合材料的秘诀,即在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧。为了实现这一转变,需要考虑的问题很多,比如在多相复合陶瓷的研究中,首先必须考虑的是两个或两个以上的相之间在化学上的相容性(在制造和使用温度下,纤维与基体两者不发生化学反应及不引起性能退化)及物理上的相容性(两者的热膨胀和弹性匹配,通常希望使纤维的热膨胀系数和弹性模量高于基体)。为了得到可信的数据,不仅要通过热力学计算粗略估计,还必须通过实验来反复验证。

陶瓷基复合材料是如何分类的?

陶瓷基复合材料是一个庞大的家族,依照不同的标准,我们可以将其划分为不同的类型。如按材料作用分类,可以分为用于制造各种受力零部件的结构瓷基复合材料,以及具有各种特殊性能的功能陶瓷基复合材料。目前,实现陶瓷基复合材料强韧化的途径有颗粒弥散、纤维增强等。因此按照增强材料又有颗粒增强陶瓷复合材料、纤维(晶须)增强陶瓷基复合材料、片材增强陶瓷复合材料。一般情况下,用做瓷基复合材料的基体主要包括氧化物瓷、非氧化物瓷,微品玻璃和碳。以此为分类标准,又能分出如氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物周瓷基复合材料、微品玻璃基复合材料、碳/碳复合材料。

陶瓷基复合材料有哪些应用?

陶瓷基复合材料以优异的耐高温和耐磨损性能取胜于其他复合材料,为航天航空事业做出了重大贡献。人造地球卫星、载人宇宙飞船等的发射成功,就离不开被称为“烧蚀材料”的陶瓷基复合材料,它可以在1200℃至1900℃的条件下使用。所以即使当宇宙飞行器从外层空间返回地球,和大气层产生剧烈摩擦,放出惊人热量的时候,“烧蚀材料”也能保护飞行器本体。

除了用于航空航天部件,陶瓷基复合材料还可用于滑动构件、发动机部件和刀件具等。在汽车工业领域,先进复合材料制成的制件可以代替同样性能的钢制件,而且比原本的钢制件减重70%左右,工艺上亦可一次成型。此外,先进复合材料在化工、纺织业、医疗和精密仪器等领域也发挥着不可估量的作用。

目前针对先进复合材料的研究十分活跃,正由宏观复合向微观复合发展,由増强性的双元混杂向超混杂复合发展,由结构复合向多功能复合发展。

本文由北京市第六十五中学一级教师胡晓艳进行科学性把关。

 

 

责任编辑: 4126TJ

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