4新型无机（非金属）材料——脱胎换骨.pdf

4 新型无机非金属材料——脱胎换骨 引言 无机非金属材料简称无机材料。其对人类的发展、社会的进步和人类生活质量的提高起 着至关重要的作用。随着材料科学技术的发展，无机非金属材料呈现出从普通功能材料向高 效能、高可靠性、高灵敏度、智能化和功能集成化的方向发展，一般结构材料向复合化、高 韧性、高比强度、耐磨损、抗腐蚀、耐高温、低成本和高可靠性的方向发展的趋势。新型无 机非金属材料，发生了脱胎换骨的变化。 4.1 新型无机非金属材料概述 随着现代科学技术的发展，无机材料亦获得惊人进展，许多新型无机材料的成分远远超 出硅酸盐的范畴，通过控制材料成分与微观结构，许多具有不同功能的新型无机材料相继研 制成功，并在国防、机械、化工等工业部门获得广泛应用。现在，无机材料同金属、聚合物 材料一起，成为现代工程材料的主要支柱。 航天飞机使用四种防热材料：①头锥和机翼前缘受气动摩擦最大，温度最高( ＞1260℃)， 使用表面涂Si的C/C复合材料。这是一种以热分解石墨纤维布作为增强剂，碳化树脂为基体 制成的复合材料。②机身和机翼下表面需耐热650~1260 ℃，由24000多片高温陶瓷瓦组成。 ③机身侧面和机翼上表面需耐热370~650℃，由7000多片低温陶瓷瓦组成。④货舱门、尾段 机身等部分温度不超过398℃，防热较为容易，采用聚芳酰胺纤维材料制造的毡瓦，是一种 柔性重复使用材料。因此，航天飞机的热防护系统主要是由防热陶瓷瓦组成，防护面积占全 机面积的70% 。几乎可以说全身披挂陶瓷盔甲。高温陶瓷瓦和低温陶瓷瓦的尺寸分别是15 ×15 ×1.3~8.9cm和20 ×20 ×0.5~2.5cm ，全靠人工来一片片粘贴（如图4.1 所示）。 （（（（aaaa）航天飞机）航天飞机）航天飞机）航天飞机 （b ）在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片 图4.1 航天飞机及在其表面装陶瓷防护瓦片 4.1.1 陶瓷材料与新型无机非金属材料 传统的无机材料(即陶瓷材料)主要是指以硅酸盐化合物为主要组分制成的材料，包括日 用陶瓷、普通工业用陶瓷、普通玻璃，水泥、耐火材料等，它们通常是以天然硅酸盐矿物为 原料（如粘土、长石、石英等），经原料加工-成型-烧结而制得的陶瓷。相对于传统(或普通) 139 陶瓷而言，新发展起来的陶瓷称为新型陶瓷(即新型无机材料) ，亦称为精细陶瓷、先进陶瓷、 高技术陶瓷等。随着成分、结构和工艺的不断改进，新型陶瓷层出不穷，它们往往是采用纯 度较高的人工合成化合物(如Al O 、ZrO 、SiC、Si N 、BN等) ，经配料-成型-烧结而制得的 2 3 2 3 4 陶瓷，因而具有优良的力学性能和物理性能。 新型无机非金属材料 （简称新型无机材料）系指用氧化物、氮化物、K 以及各种无机非 金属化合物为原料，经特殊的先进工艺制备而成的、具有一系列优异性能的新型材料。与传 统陶瓷材料相比，新型无机材料具有以下特点： 1. 原料。一般以高纯人工合成的氧化物、复合氧化物、含氧酸盐以及碳化物、氮化物、硼 化物等为主要原料，许多新型无机材料根本就不含二氧化硅及其化合物。而传统陶瓷以粘土、 硅酸盐为主要原料。 2. 成分。其原料是纯化合物，成分由人工配比决定，其性能的优劣由原料的纯度和工艺， 而不是由产地决定（传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质 地）。 3. 制备工艺。成形采用热压铸、压力浇注、干压、冷等静压、注射成形、流延、气相沉积、 浸渍等新工艺，烧成上突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限，广泛采用热压、无压、 反应、气氛加压、真空、热等静压、自蔓延、等离子烧结等手段，使烧成材料的晶粒处于微 米级水平。 4. 加工。其烧成后能进行切割、打孔、磨削、研磨及抛光等精密加工和镀膜等处理(而传 统陶瓷一般不需二次加工) ，制品正朝着单晶化、薄膜化、纤维化和复合化的方向发展。 5. 性能。具有不同的特殊性能和功能，如高强度、耐腐蚀、导电、绝缘，及在磁、电、光、 声、生物工程各方面具有特殊功能，使其在高温、机械、电子、宇航、医学等方面得到广泛