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纤维复合型陶瓷 弥补陶瓷弱点

纤维复合型陶瓷 弥补陶瓷弱点

发布:2019-11-19 13:00:16

脆性是陶瓷的最大弱点,它大大限制了陶瓷的应用范围。但是,这并非是陶瓷材料的"不治之症",经过各国科学家和工程师多年的艰苦研究,终天大大地改善了陶瓷的脆性,研制出纤维补强陶瓷复合材料。

脆性是陶瓷的最大弱点,它大大限制了陶瓷的应用范围。但是,这并非是陶瓷材料的"不治之症",经过各国科学家和工程师多年的艰苦研究,终天大大地改善了陶瓷的脆性,研制出纤维补强陶瓷复合材料。

这种材料不象传统陶瓷"性格脆弱",一打就破,陶瓷复合材料比一般陶瓷"刚强"多了,摔不烂,打不碎,甚至能够"刀枪不入"。请看这样一个镜头:在硝烟弥漫,炮声轰鸣的战场上,几辆现代化坦克奋力猛进,一发发炮弹在装甲上爆炸,然而,坦克却安全无恙,继续前进。难道这些坦克有什么魔法?原来,这种坦克有新型的复合装甲。复合装甲就象馅饼一样,分为三层。外层是八十毫米厚的钢板,最里层是二十毫米厚的钢板,两层钢板之间夹着复合材料陶瓷层,这种复合装甲能把炮弹大部分能量吸收掉,降低其穿透能力,复合装甲的抗弹能力普通装甲提高三倍,可见这种现代陶瓷复合材料的巨大威力了。


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脆性是陶瓷的最大弱点,它大大限制了陶瓷的应用范围。但是,这并非是陶瓷材料的"不治之症",经过各国科学家和工程师多年的艰苦研究,终天大大地改善了陶瓷的脆性,研制出纤维补强陶瓷复合材料。

脆性是陶瓷的最大弱点,它大大限制了陶瓷的应用范围。但是,这并非是陶瓷材料的"不治之症",经过各国科学家和工程师多年的艰苦研究,终天大大地改善了陶瓷的脆性,研制出纤维补强陶瓷复合材料。

这种材料不象传统陶瓷"性格脆弱",一打就破,陶瓷复合材料比一般陶瓷"刚强"多了,摔不烂,打不碎,甚至能够"刀枪不入"。请看这样一个镜头:在硝烟弥漫,炮声轰鸣的战场上,几辆现代化坦克奋力猛进,一发发炮弹在装甲上爆炸,然而,坦克却安全无恙,继续前进。难道这些坦克有什么魔法?原来,这种坦克有新型的复合装甲。复合装甲就象馅饼一样,分为三层。外层是八十毫米厚的钢板,最里层是二十毫米厚的钢板,两层钢板之间夹着复合材料陶瓷层,这种复合装甲能把炮弹大部分能量吸收掉,降低其穿透能力,复合装甲的抗弹能力普通装甲提高三倍,可见这种现代陶瓷复合材料的巨大威力了。


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现代陶瓷复合材料的这种"打不碎"的性能,目前已开始显露出它的锋芒。这一类材料的发展,在很大程度上要受到可使用纤维品种的影响。在六十年代初期开始从事这类材料研究工作的时候,可供使用的纤维品种只是金属丝,而且适合于使用的只有钼丝和钨丝。当时用钼丝或钨丝来补强氧化铝、氧化锆等氧化物陶瓷以及某些硅酸盐陶瓷。所获得的复合材料,有些增加了强度,有些提高了抗机械冲击的性能,有些则在抗热震性方面有显著的改进,有些则不然,强度反而下降。这说明纤维与陶瓷既然组成的是一个复合系统,两者就有一个相互匹配的问题。首先,陶瓷要做成可用的制品,都必须经过一千几百摄氏度的高温烧成,选用的纤维就必须能耐受这样的高温及其环境,而且在这个温度下不能发生什么化学反应,不然的话,纤维不是大大地被损害了它本身的性能,就是有被"吃掉"的危险。其原理是用一种强度和弹性模量比较高的纤维(也就是既要强度高,又要在比较高的应力下才能使它变形)均匀地分布于陶瓷体之中,这样就可以做到使外加的负荷的大部分传递到纤维上,而减轻陶瓷本身的负担。因此,加有纤维的陶瓷受到外力后,比较不容易从裂纹源产生裂纹。且纤维具有极高的强度,将可使陶瓷材料的强度有大幅度的增强。更重要的一点是,纤维在陶瓷基体中将可使材料的脆性变得很小。当然,它的抗热震性能也将同时有极大的提高 。只要纤维选用得当,就有可能使这种复合材料既可保持陶瓷所固有的特性,又可弥补人们对陶瓷最为担心的弱点,即脆性。


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这种材料使用的耐高温纤维,除了金属丝外,近十余年来新发展了一些非金属纤维,其中最有成效的是碳纤维。它经过石墨化处理后却成为石墨纤维,它比碳纤维具有更高的弹性模量,这正是制造复合材料希望具备的性能。

  

对于基体材料的选择,比较多的考虑是用金属丝来补强,如用钨丝补强氮化硅,可以使它在1300℃下的抗机械冲击强度增加九倍,如果改用钽丝补强氮化硅,在性能改进上的效果就比较突出。它的室温抗机械冲击强度增加了30倍。此外还有用热解沉积的办法,制成纤维增强陶瓷材料,在25微米的钨丝上沉积碳化硅,做成直径为80-100微米、带有钨芯的碳化硅丝,以它来补强氮化硅,所得到陶瓷复合材料的断裂功居然可以提高到未补强的氮化硅的几百倍,强度也比未补强的氮化硅增加60%。有人甚至用莫来石的晶须来补强氮化硼,可得到较高的强度,抗机械冲击强度可提高十倍以上,抗热震性亦有显著的改善。


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当然,纤维补强陶瓷复合材料虽然在制作上有种种限制和困难,但是一旦制成复合材料,无论在强度的提高上,特别是抗机械冲击或者抗热冲击的性能上,都比不用纤维补强的陶瓷有极为显著的提高。

纤维补强陶瓷复合材料在陶瓷家族的现代子孙中可以说是最年轻的不弟弟,但它的用途很广,无论是军事、宇宙飞行、高温材料、化学工业等方面都要用上纤维补强材料,有人估计到本世纪末,陶瓷复合材料将在材料世界中占有相当的比重。