精細(xì)陶瓷因原料細(xì)、工藝精而得名，是一種典型的無機(jī)非金屬材料，因其優(yōu)異的性能受到廣泛關(guān)注，被稱為是繼金屬材料、有機(jī)高分子材料之后的第三項(xiàng)材料。精細(xì)陶瓷按用途分可分為功能陶瓷和工程陶瓷，按其化學(xué)組成可分為氧化物系和非氧化物系陶瓷。其具有廣泛的熱學(xué)、力學(xué)、生化、電磁、光學(xué)和核聚變功能，應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、化工等領(lǐng)域。
精細(xì)陶瓷應(yīng)用雖廣泛，但它擁有一顆易碎的“玻璃心”，顯然提高陶瓷材料的斷裂韌性是擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的前提。近年來，增韌后的精細(xì)陶瓷材料憑借其高強(qiáng)、高硬、高溫抗氧化性和高導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，受到西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)與工業(yè)界的高度重視，已在航空航天領(lǐng)域、電子半導(dǎo)體領(lǐng)域、核工業(yè)領(lǐng)域和新能源等方面廣泛應(yīng)用。
典型的精細(xì)陶瓷材料
SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料
SiC是非氧化物陶瓷材料中研究和應(yīng)用廣泛的陶瓷材料。SiC陶瓷具有高強(qiáng)度和高硬度，但其斷裂韌性較低，需要通過復(fù)合改性提升。用連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基體是提高韌性的有效方式，其增韌原理是將連續(xù)纖維作為增強(qiáng)骨架，使其為主要受力單元，同時在纖維之間填充陶瓷顆粒，將纖維形成統(tǒng)一整體。SiCf/SiC復(fù)合材料由碳化硅纖維(SiCf)增強(qiáng)體和碳化硅(SiC)基體組成，在保留SiC陶瓷原有的高強(qiáng)度、耐高溫等特性的同時，由于引入了連續(xù)碳化硅纖維，韌性得到大幅提高。SiCf/SiC復(fù)合材料由SiC纖維增強(qiáng)體、界面相、SiC基體和表面防護(hù)涂層四大結(jié)構(gòu)單元組成，其協(xié)同作用決定了材料在高溫極端環(huán)境下的性能。自20世紀(jì)70年代末SiC纖維實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)以來，連續(xù)碳化硅纖維增韌的碳化硅基復(fù)合材料( SiCf/SiC CMC)一直是研究熱點(diǎn)。
SiCf/SiC復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu)示意圖
氧化鋁基復(fù)合陶瓷材料
氧化鋁(Al2O3)陶瓷熔點(diǎn)高，硬度大，絕緣電阻大，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有來源廣、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用廣、產(chǎn)量大的陶瓷材料。但Al2O3陶瓷在高溫條件下抗蠕變性差，容易發(fā)生蠕變破壞導(dǎo)致構(gòu)件失效，為彌補(bǔ)這一致命缺陷，可使用晶須增韌、顆粒增韌、相變增韌、纖維增韌等手段進(jìn)行增強(qiáng)。經(jīng)過多年發(fā)展，將連續(xù)纖維引入陶瓷材料中形成陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)是目前有效的增韌方法之一。為了使Al2O3基陶瓷材料獲得較好的增韌效果，增韌纖維必須具有較高的彈性系數(shù)和良好的相容性。常用增韌纖維有碳纖維、SiC纖維和Al2O3纖維，國外Al2O3纖維的生產(chǎn)及商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)成熟，日本和美國掌握了高強(qiáng)度Al2O3連續(xù)纖維合成技術(shù)。
氮化硅基復(fù)合陶瓷材料
氮化硅(Si3N4)陶瓷因具有良好的抗氧化性、高硬度、高強(qiáng)度以及良好的電學(xué)和熱學(xué)性能，是有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料之一，被稱為“材料界的全能”。但Si3N4陶瓷自身的硬脆特性，使其在加工過程中容易形成表面缺陷，極大地降低了Si3N4陶瓷的可靠性。大量研究表明，以Si3N4為基體制備出的復(fù)合陶瓷能有效彌補(bǔ)單一Si3N4陶瓷的劣勢。不同燒結(jié)工藝制備的Si3N4基復(fù)合陶瓷具有不同的斷裂韌性，其中用Si3N4纖維可有效提高陶瓷基體的斷裂韌性。Si3N4纖維拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)1000MPa和300GPa，熱膨脹系數(shù)低，磨損抗力優(yōu)良，主要用來增強(qiáng)金屬和陶瓷。
精細(xì)陶瓷材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀
在高速飛行器中的應(yīng)用
高速飛行器等戰(zhàn)略武器在現(xiàn)代軍事和航空領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，其性能對于維護(hù)和軍事優(yōu)勢至關(guān)重要。其典型熱環(huán)境為高溫、復(fù)雜苛刻的熱-機(jī)械載荷，現(xiàn)有的高溫合金已無法滿足要求，陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。特別是SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、尾噴管調(diào)節(jié)片和渦輪外環(huán)等熱結(jié)構(gòu)部件，其復(fù)合材料密度約為高溫合金材料的1/4，減重明顯，且工作溫度可達(dá)1400℃，冷卻系統(tǒng)設(shè)計大幅簡化，推力增強(qiáng)。國內(nèi)以國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國科學(xué)院等為代表的研究較為深入，在關(guān)鍵領(lǐng)域成果顯著。
此外，氧化物CMCs(如Al2O3)因其低熱導(dǎo)率和高抗熱震性，被應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)外襯。美國加州大學(xué)的Zok教授團(tuán)隊(duì)采用溶膠-凝膠浸漬與原位聚合技術(shù)，成功制備了以Nextel 720纖維為增強(qiáng)相的多孔莫來石和氧化鋁基陶瓷基復(fù)合材料異形件。
采用碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的燃燒室部件
在輕質(zhì)裝甲中的應(yīng)用
輕型的復(fù)合裝甲是保持現(xiàn)代裝備生存能力的關(guān)鍵。陶瓷纖維和纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展是輕質(zhì)復(fù)合裝甲應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，使用的主要防護(hù)陶瓷材料有B4C、Al2O3、SiC、Si3N4等。作為公認(rèn)的高性能防彈裝甲材料，SiC大量用于制作防彈衣、端頭帽和陶瓷裝甲系統(tǒng)。近十年來，陶瓷復(fù)合裝甲應(yīng)用逐漸增長，陶瓷材料已經(jīng)成為裝甲防護(hù)材料的主要選擇。
當(dāng)前軍事裝備中，陶瓷復(fù)合材料裝甲在保證防護(hù)性能的前提下，成功將裝甲車輛總重量降低15%-20%。通過蜂窩結(jié)構(gòu)和多層復(fù)合設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新型裝甲在保持同等防護(hù)等級的情況下，較傳統(tǒng)裝甲減重幅度達(dá)到15%。在軍用車輛領(lǐng)域，采用陶瓷復(fù)合裝甲的輕型戰(zhàn)術(shù)車輛整備質(zhì)量控制在5噸以內(nèi)，同時具備抵御12.7mm穿甲彈的能力。
主戰(zhàn)坦克配備的陶瓷復(fù)合裝甲
在輕兵器中的應(yīng)用
輕武器是裝備體系的重要組成部分，包括手槍、步槍、機(jī)槍等，其作用是通過發(fā)射彈丸殺傷或摧毀目標(biāo)。由于常處于高溫、低溫、濕熱、鹽霧等惡劣環(huán)境中，防腐蝕能力尤為關(guān)鍵。相較于傳統(tǒng)的涂層材料，陶瓷涂層與輕質(zhì)金屬的連接結(jié)合有廣泛應(yīng)用需求。
為進(jìn)一步提高涂層的抗燒蝕能力，自愈合材料應(yīng)運(yùn)而生。如SiC在1100 ℃環(huán)境下生成玻璃態(tài)氧化硅，能起到密封裂紋的作用。利用此原理制成自愈合材料修復(fù)涂層中的裂紋與空隙;為應(yīng)對海洋的高溫、高鹽、高濕循環(huán)沖擊載荷的作用，三元硼化物金屬陶瓷材料得到了廣泛應(yīng)用。
在身管中的應(yīng)用
身管是發(fā)射類武器的核心組成零件，身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)包括彈膛、坡膛和線膛，彈膛和線膛由坡膛連接。傳統(tǒng)身管一般由高強(qiáng)度合金鋼制造，隨著發(fā)射時膛壓的不斷提高和身管壽命的指標(biāo)成倍提高，身管承受的壓力和溫度也越來越高。利用陶瓷的高硬度、高強(qiáng)度和高溫化學(xué)惰性等特性，可有效減輕身管燒蝕，延長其使用壽命。SiC、Si3N4和 Sialon等是制作20～30 mm口徑身管內(nèi)襯的理想材料，同時在外部包覆陶瓷纖維可解決陶瓷脆性問題，采用該技術(shù)的身管壽命可提高一半，質(zhì)量減輕高可達(dá)25%，彈丸動能提高20%。同時，在身管內(nèi)壁噴涂納米陶瓷粉末，改善內(nèi)壁光潔度，減小內(nèi)壁磨損，彈丸初速提高可達(dá)15%。
在半導(dǎo)體中的應(yīng)用
精細(xì)陶瓷作為新興材料，正在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。SiC陶瓷具有極高的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)等，并且具有的可拋光性，是制造的光刻機(jī)陶瓷部件的材料。除此之外，氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化釔等陶瓷材料均可滿足光刻機(jī)等集成電路制造關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件的使用要求，推動了我國集成電路關(guān)鍵裝備的獨(dú)立自主健康發(fā)展。
中國建筑材料科學(xué)研究總院制備的光刻機(jī)用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件
在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，與較于其他封裝材料，陶瓷具有高絕緣性、高化學(xué)惰性、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好，以及與硅相近的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，是綜合性能較好的基片材料。
小結(jié)
增韌后的精細(xì)陶瓷材料通過不斷地材料改性和技術(shù)創(chuàng)新，克服了傳統(tǒng)陶瓷的脆性缺陷，進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用范圍。在航空航天、軍事裝備、輕兵器防護(hù)和半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和重要的戰(zhàn)略價值。未來，隨著對精細(xì)陶瓷材料組織和性能的深入研究，以及制備工藝的不斷優(yōu)化，精細(xì)陶瓷有望在更多高端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
來源：
鄧振軍等：典型精細(xì)陶瓷的組織性能與應(yīng)用現(xiàn)狀分析
王衍飛：SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)研究進(jìn)展
張?jiān)铝值龋貉趸X陶瓷增韌的研究進(jìn)展
華東裝備信息技術(shù)研究院 ：陶瓷基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究
無機(jī)非金屬材料科學(xué)：陶瓷材料在武器裝備中的應(yīng)用
解放軍報
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