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揭秘结构功能一体化陶瓷

揭秘结构功能一体化陶瓷

  • 分类:最新动态
  • 作者:ZC-New Material
  • 来源:材料科学与工程技术
  • 发布时间:2021-12-08
  • 访问量:0

【概要描述】揭秘结构功能一体化陶瓷
先进陶瓷是为满足现代科学技术发展而开发的各种新型陶瓷的总称,可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。

揭秘结构功能一体化陶瓷

【概要描述】揭秘结构功能一体化陶瓷
先进陶瓷是为满足现代科学技术发展而开发的各种新型陶瓷的总称,可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。

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揭秘结构功能一体化陶瓷

01先进陶瓷是为满足现代科学技术发展而开发的各种新型陶瓷的总称,可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。

结构陶瓷是利用先进陶瓷的高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定好等特性,广泛用作各种高温结构材料、耐磨材料、耐腐蚀材料,如涡轮发动机叶片、火箭喷嘴、陶瓷轴承、切削刀具、磨料磨具、汽车尾气净化器等。功能陶瓷则主要利用某些陶瓷所特有的电学、热学、光学、磁学等功能特性,如超导陶瓷、电子陶瓷、光学陶瓷、磁性陶瓷、敏感陶瓷、生物陶瓷等。

 

 
02为什么要进行结构功能一体化设计

随着纳米科学与技术的进步,各种结构和器件的小型化、集成化和多功能化已成为主要的发展趋势,一方面对材料的性能提出了越来越高的要求,另一方面,还要求材料同时具备结构和功能的特性。因此,陶瓷研究的一个重要方向是不断探索新功能、多功能,特别是具有结构功能一体化的材料以及与之相应的先进工艺。先进陶瓷材料的结构功能一体化成为拓展其在高新技术领域中应用的关键,已受到广大材料科技工作者特别是从事无机非金属材料研究人员的高度关注。如何实现先进陶瓷的结构功能一体化,显然对不同的材料和应用环境,结构功能一体化的要求和技术方案也不尽相同。

 
03结构功能一体化的典型产品

如今结构功能一体化陶瓷制品种类越来越多,多孔陶瓷和透明陶瓷是其中的典型代表。透明陶瓷是先进陶瓷材料中十分独特的一个分支,表面上它是利用了陶瓷的光学性能,实际上它对作为结构陶瓷所表现出的高强度、高硬度也有很高的要求,所以透明陶瓷可以代替玻璃用于防弹装甲透明材料。多孔陶瓷具有传统陶瓷材料的抗腐蚀、耐高温、抗氧化等特性,还具有密度低、开口气孔率高,比表面积大等特点。因此,多孔陶瓷在催化剂载体、流体过滤、分离和提纯,吸音隔音、燃料电池、传感器和生物材料等领域有着广泛的应用。

 

04结构功能一体化陶瓷材料

1、碳化硅陶瓷

 

随着冶金、能源、交通和环境保护等领域的发展,多孔碳化硅陶瓷、碳化硅微反应器日益受到人们关注,精密铸造、微反应、烟气过滤、脱硫、柴油机尾气处理等都需要用多孔陶瓷。碳化硅作为新一代多孔陶瓷它比堇青石陶瓷在高温性能方面更优越。

 

此外,碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)不仅克服了碳化硅基陶瓷脆性大和可靠性差的缺点,还具有低密度、高强度、耐高温、抗氧化等优点,是适用于高推重比航空发动机的新一代热结构材料。通过对纤维、界面、基体和涂层各组元进行设计,CMC-SiC可具备在航空航天等领域应用所需各种功能。除CMC-SiC强韧化设计外,裂纹自愈合、摩擦自润滑、电磁波吸收/屏蔽设计成为近年来陶瓷基复合材料的研究热点,是促进CMC-SiC在航空发动机和航天飞行器热端部件、刹车片/盘和各种电子设备等领域应用的关键。

 

2、石墨烯/氧化物陶瓷

 

基于氧化物的结构陶瓷材料,如Al2O3、ZrO2等以其高模量、高硬度、高强度以及出色的稳定性等众多优异性能在生物、电子、机械制造、航空航天等领域有着不可替代的地位。但是,典型的氧化物结构陶瓷材料又存在断裂韧性和机械稳定性较低的缺点,且电导率往往较低,这在很大程度上限制了其应用范围。因此,制备和开发力学性能稳定,并且电学性能优良的结构功能一体化陶瓷是氧化物陶瓷研究的发展方向之一。通过对单相氧化物陶瓷性能的改良来获得结构功能一体化陶瓷是非常困难的,解决这一问题的主要思路是通过将工程陶瓷材料与具有功能性的第二相复合,即通过陶瓷基复合材料的制备实现高机械性能与力学稳定性、结构特性与功能特性的统一。

 

石墨烯的发现为陶瓷基复合材料的发展提供了新的契机。首先,石墨烯具有优异的力学性能,断裂强度为125GPa,杨氏模量可达1TPa,是世界上强度最高的材料之一,非常有利于提高陶瓷材料的强度。其次,石墨烯还具有较高的电导率和热导率,可望赋予结构陶瓷材料电学和热学相关的功能性。

 

 

 

 

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