高温陶瓷材料的特点和发展前景探讨

李有雯,王同麟

(兰州石化职业技术大学,甘肃 兰州 730000)

高温陶瓷材料是一类能在高温下保持稳定性的陶瓷材料。在航空航天、汽车工业等领域中,它们具有很大的潜能。例如,碳化物陶瓷,它具有高熔点、高温稳定性以及优越的力学性能,因此被广泛应用于C/C复合材料的基体改性研究中[1]。

1 高温陶瓷材料的组成

高温陶瓷材料的组成包括基体材料、增强相、烧结助剂、晶粒长大抑制剂和表面涂层材料等。这些组成部分相互作用,共同决定了高温陶瓷材料的性能和应用范围。

1.1 基体材料

基体材料是高温陶瓷材料的基本组成部分,通常是指陶瓷原料经过配料、成型和烧结等工艺处理后所得到的致密陶瓷体。基体材料一般是由一种或多种陶瓷原料通过高温烧结所得到的,如氧化铝、氧化锆、碳化硅等。基体材料的性能如机械强度、硬度、耐高温性能等,主要取决于原料的种类和烧结工艺。

1.2 增强相

增强相是高温陶瓷材料中另一种重要的组成部分,它通常以颗粒状或纤维状的形式均匀分布在基体材料中,以提高材料的强度、韧性和耐高温性能。常用的增强相包括碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维等。增强相的加入可以显著提高高温陶瓷材料的力学性能,同时还可以改善材料的抗热震性能。

1.3 烧结助剂

烧结助剂是高温陶瓷材料中用来促进烧结过程的重要成分,其作用是在烧结过程中降低陶瓷材料的烧结温度和促进烧结体的致密化。常用的烧结助剂包括硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐等。烧结助剂的加入可以加速高温陶瓷材料的烧结过程,同时还可以改善材料的显微结构和性能。

1.4 晶粒长大抑制剂

晶粒长大抑制剂是用来抑制高温陶瓷材料烧结过程中晶粒长大的重要成分。高温陶瓷材料的晶粒大小对其性能有很大的影响,过大的晶粒会导致材料强度和韧性的降低。常用的晶粒长大抑制剂包括稀土元素、钛化合物等。晶粒长大抑制剂的加入可以有效地抑制晶粒长大过程,从而提高材料的力学性能。

1.5 表面涂层材料

表面涂层材料是用来改善高温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层具有优异性能的涂层材料,以提高其耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性等性能。常用的表面涂层材料包括金属涂层、非金属涂层和复合涂层等。表面涂层材料的加入可以显著提高高温陶瓷材料的表面性能,延长其使用寿命。

2 高温陶瓷材料的分类

2.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷是指以氧化物为基体的陶瓷材料,具有优异的耐高温性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能,可用于制造高温炉具、热电偶套管、航空发动机零部件等。常见的氧化物陶瓷包括氧化铝、氧化锆和氧化镁等[1]。

2.2 氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是指以氮化物为基体的陶瓷材料,具有优异的耐磨性能、耐高温性能和抗腐蚀性能,可用于制造切削刀具、轴承类零件、燃气轮机叶片等。常见的氮化物陶瓷包括氮化硅、氮化硼和氮化钛等[1]。

2.3 碳化物陶瓷

碳化物陶瓷是指以碳化物为基体的陶瓷材料,具有优异的耐磨性能、耐高温性能和抗腐蚀性能,可用于制造切割工具、喷嘴、密封件等。常见的碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼和碳化钛等。

2.4 硼化物陶瓷

硼化物陶瓷是指以硼化物为基体的陶瓷材料,具有良好的导电性能、优异的耐高温性能以及抗腐蚀性能,可用于制造热压铸模具、热电偶套管、航空发动机零部件等[2]。常见的硼化物陶瓷包括二硼化钛、二硼化锆等。

2.5 硅化物陶瓷

硅化物陶瓷是指以硅化物为基体的陶瓷材料,具有优异的耐高温性能、抗氧化性能和良好的导热性能,可用于制造高温炉具、热电偶套管、航空发动机零部件等。常见的硅化物陶瓷包括硅化铝、硅化锆等。

2.6 玻璃陶瓷

玻璃陶瓷是一种具有玻璃相和陶瓷相双重结构的材料。玻璃相具有优异的韧性和耐冲击性能,而陶瓷相具有优异的耐高温性能和化学稳定性。玻璃陶瓷可用于制造餐具、航空航天器部件等。

2.7 金属陶瓷

金属陶瓷是以金属为基体,以陶瓷为增强相,是一种复合材料[3]。具有优异的耐磨性能、耐高温性能和良好的导热性能,可用于制造切削刀具、航空发动机叶片等。常见的金属陶瓷包括铝基复合材料、钛基复合材料等。

2.8 复合陶瓷

复合陶瓷是指由两种或两种以上不同类型陶瓷材料组成的复合材料[3]。具有综合的优异性能,可用于制造刀具、滑动轴承等耐磨部件及热机部件等。常见的复合陶瓷包括氧化铝-氮化硅复合材料、氮化硅-碳化硅复合材料等。

3 高温陶瓷材料的特性及优化

高温陶瓷材料性能优异,但是为了满足实际应用的需求,需要对其组成进行优化。

3.1 机械强度

高温陶瓷材料需要具备较高的强度,可以抵抗由于外部载荷或者环境温度变化而产生的应力[3]。为了增加强度,可以采取以下措施:

1)选择高强度、高硬度基体材料:基体材料的强度对整个陶瓷材料的强度有着决定性的影响,如氧化铝、碳化硅等。

2)加入增强相:增强相可以显著提高高温陶瓷材料的强度和韧性。可以选择纤维状或颗粒状的增强相,如碳化硅纤维、氧化铝纤维等,均匀分布在基体材料中。

3)优化制备工艺:制备工艺对高温陶瓷材料的强度有着重要的影响。可以采用先进的成型和烧结工艺,如凝胶注模法、热压烧结法等,以获得具有优异性能的陶瓷材料。

3.2 热稳定性

高温陶瓷材料需要在高温环境下保持稳定,因此需要提高其热稳定性。为了提高热稳定性,可以采取以下措施:

1)选择高熔点材料:高熔点材料具有较高的热稳定性,如氧化锆、碳化硅等。

2)加入晶粒长大抑制剂:晶粒长大抑制剂可以抑制高温陶瓷材料烧结过程中晶粒的长大,从而提高材料的热稳定性。可以选择稀土元素、钛化合物等作为晶粒长大抑制剂。

3)优化热处理工艺:热处理工艺对高温陶瓷材料的热稳定性有着重要的影响。可以采用合适的热处理温度和时间,以获得具有优异性能的材料。

3.3 抗蠕变性

高温陶瓷材料在高温环境下容易发生蠕变,影响其使用寿命和安全性。为了提高抗蠕变性,可以采取以下措施:

1)选择低蠕变性的基体材料:低蠕变性的基体材料具有较低的化学活性,可以降低材料发生蠕变的概率,如莫来石、堇青石等。

2)加入增强相:增强相可以提高高温陶瓷材料的强度和韧性,降低发生蠕变的概率。可以选择纤维状或颗粒状的增强相,如碳化硅纤维、氧化铝纤维等。

3)优化制备工艺:制备工艺对高温陶瓷材料的抗蠕变性有着重要的影响。可以采用先进的成型和烧结工艺,如凝胶注模法、热压烧结法等,以获得具有优异性能的材料。

3.4 抗腐蚀性

高温陶瓷材料需要具备较高的抗腐蚀性,以抵抗酸性或碱性介质等对其表面的腐蚀。为了提高抗腐蚀性,可以采取以下措施:

1)选择具有较高抗腐蚀性的基体材料,如氧化铝、碳化硅等。

2)表面涂层处理:在高温陶瓷材料的表面涂覆一层具有抗腐蚀性的涂层材料,如耐蚀涂层、耐磨涂层等,以提高其抗腐蚀性能。

3)阳极氧化处理:通过阳极氧化处理在高温陶瓷材料表面形成一层致密的氧化膜,以提高其抗腐蚀性能。

3.5 轻量化

高温陶瓷材料通常具有较高的密度,为了满足轻量化的要求,可以选择密度较低的基体材料,如氧化铝、碳化硅等。

4 几种常见的高温陶瓷材料

4.1 氧化铝陶瓷(Al2O3)

氧化铝陶瓷的主要成分是氧化铝,经过烧结工艺制成,具有机械强度好、表面光滑、耐磨性好、耐高温等优点,但它的抗弯强度较低。适用于机械、模具、纺织、石油、化工、耐火材料等领域。最高使用温度1 200 ℃。

4.2 氧化锆陶瓷(ZrO2)

氧化锆陶瓷具有高硬度、高耐磨性、与钢材接近的热膨胀系数等特点。常用于连接陶瓷和钢的材料,适用于精密设备、医疗设备、化学工业等领域。最高使用温度1 000 ℃。

4.3 碳化硅陶瓷(SiC)

碳化硅陶瓷是一种非常优异的高温陶瓷材料,具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、抗腐蚀,以及优异的导热性、低热膨胀性、非常耐酸和碱等特点[3],在高温下仍能保持其优良的性能,适用于炉具材料、耐高温零件等领域,也可用于制造高温成型、高速工具、高温耐磨零件等。最高工作温度1 400 ℃。

4.4 氮化硅陶瓷(Si3N4)

氮化硅陶瓷也是一种优秀的高温材料,具有极高的硬度、优良的断裂韧性、优异的抗弯强度等特点。它的主要成分是氮化硅,经过烧结工艺制成。氮化硅陶瓷可以耐受高温达到1 800 ℃以上,最高工作温度1 400 ℃,但它的脆性较大。适用于高速高精度陶瓷轴承、高温成型、高速工具等领域,比如航空航天、机械工程等。

5 高温陶瓷材料的制备工艺及优化

为了满足实际应用的需求,高温陶瓷材料的制备工艺需要进行优化。以下是一些优化高温陶瓷材料制备工艺的建议:

5.1 原料优化

高温陶瓷材料的原料对其性能有着重要的影响,可以通过以下措施进行优化:

1)选择高纯度原料:高纯度原料可以降低杂质含量,提高高温陶瓷材料的纯度和性能。

2)选择合适的颗粒尺寸:原料的颗粒尺寸对高温陶瓷材料的制备工艺和性能有着重要的影响。选择合适的颗粒尺寸可以提高材料的致密度和强度。

3)进行原料混合:通过将不同性质的原料进行混合,可以获得具有优异性能的高温陶瓷材料。

5.2 粉体制备

粉体制备是高温陶瓷材料制备工艺中的重要环节。为了优化制备工艺,需要选择合适的制备方法和工艺参数。

1)选择合适的制备方法:可以采用化学法、物理法等不同的制备方法来制备高温陶瓷材料。根据实际需要选择合适的制备方法可以提高材料的性能。

2)控制粉体粒度分布:粉体粒度分布对高温陶瓷材料的制备工艺和性能有着重要的影响。控制粉体粒度分布可以提高材料的致密度和强度。

3)进行粉体表面改性:通过表面改性技术可以改善粉体的表面性质,提高粉体的流动性、可塑性和烧结性能。

5.3 烧成工艺

烧成工艺是高温陶瓷材料制备工艺中的关键环节。为了优化制备工艺,需要选择合适的烧成温度、时间和气氛等参数。

1)选择合适的烧成温度:烧成温度对高温陶瓷材料的性能有着重要的影响。选择合适的烧成温度可以提高材料的致密度、强度和耐温性能。

2)控制烧成时间:烧成时间对高温陶瓷材料的性能也有着重要的影响。控制烧成时间可以获得具有优异性能的高温陶瓷材料。

3)优化烧成气氛:烧成气氛对高温陶瓷材料的性能和氧化还原反应有着重要的影响。优化烧成气氛可以获得具有优异性能的高温陶瓷材料。

5.4 表面处理

表面处理是高温陶瓷材料制备工艺中的重要环节之一。通过表面处理能够达到改善高温陶瓷材料的表面性能的目的,以此来提高其抗腐蚀、抗氧化和抗热震等性能。

1)进行表面涂层处理:通过表面涂层处理可以改善高温陶瓷材料的表面性能,提高其抗腐蚀、抗氧化和抗热震等性能。可以选择合适的涂层材料和工艺方法,如等离子喷涂、溶胶-凝胶法等。

2)进行表面微结构处理:通过表面微结构处理可以改变高温陶瓷材料的表面形态和结构,提高其抗腐蚀、抗氧化和抗热震等性能。可以选择合适的微结构处理方法和工艺参数,如激光加工、离子束刻蚀等。

5.5 结构设计

结构设计是高温陶瓷材料制备工艺中的重要环节之一。通过结构设计可以改变高温陶瓷材料的内部结构和形态,提高其性能和应用范围。

1)选择合适的结构形状:可以选择合适的结构形状和尺寸,以提高高温陶瓷材料的强度、韧性和耐温性能等。如采用复杂的多孔结构或异形结构等。

2)进行内部微结构调控:通过内部微结构调控可以改变高温陶瓷材料的内部形态和结构,提高其性能和应用范围。如采用纳米复合材料、梯度材料等。

6 应用案例

高温陶瓷材料在汽车工业中有着广泛的应用,可以提高汽车的性能、安全性和可靠性,同时能够降低汽车的维护成本和使用成本。

6.1 发动机部件

高温陶瓷材料可以用于制造汽车发动机的部件,如燃烧室、气缸套等。与传统金属材料相比,高温陶瓷材料具有更高的耐高温性能和更低的热膨胀系数,能够提高汽车发动机的工作效率和燃油经济性。例如,氧化铝陶瓷可以用于制造气缸套,具有耐磨、耐腐蚀、低摩擦系数等优点,能够提高发动机的性能和寿命。

6.2 刹车系统

高温陶瓷材料可以用于制造汽车刹车系统中的摩擦片。陶瓷摩擦片具有高硬度、高耐磨性、高摩擦系数等优点,能够提高刹车性能和减少磨损。同时,陶瓷摩擦片还具有低密度、高导热性等优点,能够提高刹车的冷却效果和减少制动噪音。

6.3 喷油嘴

高温陶瓷材料可以用于制造汽车发动机中的喷油嘴。陶瓷喷油嘴具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优点,能够提高喷油嘴的寿命和可靠性,同时能够提高燃油喷射的精度和效率。

6.4 传感器

高温陶瓷材料可以用于制造汽车传感器,如氧传感器、温度传感器等。陶瓷传感器具有耐高温、耐腐蚀、高灵敏度等优点,能够提高传感器的可靠性和使用寿命,同时能够提高汽车的控制精度和安全性。

6.5 汽车尾气处理

高温陶瓷材料可以用于制造汽车尾气处理系统中的催化剂载体。陶瓷催化剂载体具有高比表面积、高稳定性等优点,能够提高催化剂的效率和尾气处理的效果。同时,陶瓷催化剂载体还具有耐高温、耐腐蚀等优点,能够提高尾气处理系统的可靠性和使用寿命。

6.6 密封件

高温陶瓷材料可以用于制造汽车中的密封件,如活塞环、轴套等。陶瓷密封件具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优点,能够提高密封效果和减少磨损,同时能够提高汽车的安全性和可靠性。

6.7 汽车电子

高温陶瓷材料可以用于制造汽车电子设备中的基板、连接器等。陶瓷基板具有高导热性、高绝缘性等优点,能够提高电子设备的散热效果和可靠性。同时,陶瓷连接器具有高耐压、高耐高温等优点,能够提高电子设备的连接效果和使用寿命。

7 未来发展

未来,高温陶瓷材料的研究和应用将更加深入,其发展方向主要包括:

1)研究新型的高温陶瓷材料,如氮化硅、碳化硅等;

2)提高现有高温陶瓷材料的性能,如提高氮化硅的断裂韧性等;

3)探索高温陶瓷材料的制备技术,如采用3D打印技术制备复杂形状的高温陶瓷部件等。