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军工新材料产业——特种陶瓷材料
军工新材料包括高温合金、碳纤维和特种陶瓷材料。
其中,特种陶瓷材料和常规材料相比,具有巨大的优势:其密度只有
高温金属合金的1/4~1/3,强度大、耐磨,具有良好的耐高温、抗高
温蠕变性能,在航空、军事和工业领域都可以得到应用,尤其在航空
航天发动机的热端部件上具有优势。
1)航空发动机领域:是发展高推重比航空发动机理想材料,有望取
代高温合金;
2)2)航天领域:可用于火箭发动机热结构件、飞行器的热防护系统
等;
3)3)汽车工业领域:提高整车性能,减轻车身重量;
4)4)核电:可用于核电高温部件及核燃料的包壳材料等;
5)5)兵器:用于炮筒。
用于提高涡轮发动机的效率
陶瓷具有耐高温性能,可以使用陶瓷基复合材料和陶瓷热障涂层
来增加涡轮发动机的效率。陶瓷可以在高于1100℃温度下工作而
不需要或者需要很少冷却,陶瓷基复合材料也比目前使用的金属
合金轻30〜50%。复合燃烧器内衬和涡轮叶片都涂有陶瓷时,操
作温度可提高到1650℃,并可在燃烧环境中保护各个部件。基于
氧化铪的多组分陶瓷涂料通过1650℃连续300小时测试。
用于航空发动机及飞机刹车盘
对于航空发动机来说,提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的
主要技术途径,但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合
金自身的熔点,温度上升空间很小,因此需要有替代材料。陶瓷
基复合材料具有耐高温特性,可用于热端构件。研究表明陶瓷基
复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。
同时陶瓷基复合材料密度小,有利于发动机减重。随着民用航空
业对提高燃油效率的不断追求,通用航空GE预计在今后十年陶
瓷基复合材料在航空中的应用将增长十倍。
碳陶刹车盘与上一代刹车盘相比,静摩擦系数提高1-2倍,湿态
摩擦性能衰减降低60%以上,磨损率降低50%以上,使用寿命提
高1-2倍。生产周期降低2/3,生产成本降低1/3,能耗降低2/3,
性价比提高2-3倍。是目前国际上发现唯一能在1500℃高温环境
下,各项物理性能不发生衰减的材料。推广应用后,每年可为中
国民航客机节约成本3亿元左右。
用于火箭发动机热结构件
陶瓷基复合材料可用于火箭发动机中。由于陶瓷基复合材料耐热
冲击性高,对液体推进剂化学稳定性高,比金属材料耐高温,具
有较高的抗蠕变性,是一种理想的液体火箭发动机热结构件材料。
用于航天飞行器和导弹的热防护材料
航天飞行器在进入大气的过程中,由于强烈的气动加热,飞行器
的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃,热防护系统是航天飞行器
的关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用放热-结构分开
的思想,即冷却结构外部加放热系统。C/SiC复合材料的发展,
使飞行器的承载结构和放热一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系
统失效造成的机毁人亡事件后,使C/SiC陶瓷基复合材料更受关
注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、
机翼和盖板等。
陶瓷多孔隔热材料具有均匀分布的孔隙,气孔率高、体积密度小,
具有发达的比表面积及独特的性能,相比于金属热防护结构,陶
瓷多孔隔热瓦热膨胀系数较低,即使温差很大时,也不会产生很
大的热应力而使材料变形。同时由于防热层密度越低,防热层效
率越高、质量越小,陶瓷多孔隔热瓦的低密度可以给飞行器带来
更好的机动性、增加更多的有效载荷、承受更高的温度。
相比于柔性热防护结构,陶瓷多孔隔热瓦则可承受更高的热流密
度,承受一定的载荷,并且可以保持飞行器的气动外形保持不变。
陶瓷多孔隔热瓦热防护结构基于上述优点,在可重复使用的运载
器上得到了广泛应用,占据了航天飞行器热防护系统中的绝大部
分。按照材料内部结构,可将陶瓷多孔隔热材料分为陶瓷纤维隔
热材料和陶瓷孔隙隔热材料两类。
用在飞机装甲方面
一些军用直升机均装配有包括陶瓷装甲座椅、陶瓷组件和陶瓷面
板系统等部件在内的陶瓷装甲系统。此外,陶瓷基复合材料还应
用在陆军的装甲战车上,如斯特瑞克中型装甲车。
用于卫星反射镜等光学系统
对于某些类型的能量如光、或其它一些类似的形式来说,陶瓷材
料是透明的,所以,红外穹顶、传感器保护和多光谱窗口均可以
使用陶瓷。除了光学性能,先进陶瓷材料还有这些设备所渴求的
耐磨性、高强度和热稳定性。
卫星反射镜材料的性能要求是密度低、比刚度大、热膨胀系数CTE
低、高导热性以及适当的强度和硬度、可设计性等。玻璃反射镜
和金属反射镜加工成大型轻型反射镜都有一定的局限性。因此,
国内外都正在研究C/SiC复合材料反射镜,该复合材料密度较低,
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