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军事应用中的陶瓷材料

07-03-2024

从广义上讲,陶瓷材料是指除有机材料和金属材料之外的所有材料,即无机非金属材料。陶瓷产品种类繁多,其化学成分、矿物成分、物理性能和制造方法往往紧密相连,没有明确的界限,但应用领域却存在显着差异。因此,很难将其严格划分为几个系统,具体的分类方法也各不相同。目前国际上尚无统一的分类方法。根据陶瓷的制备技术和应用领域,可分为传统陶瓷材料和先进陶瓷材料。

 ceramic materials

传统陶瓷:传统上,陶瓷是指以粘土和天然矿物为原料,经粉碎、混合、成型、烧制等工艺制成的各种制品。它们通常被称为"普通陶瓷"或传统陶瓷,如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等。

 

先进陶瓷:根据化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硬质合金陶瓷,硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分为功能陶瓷和结构陶瓷。功能陶瓷主要是根据材料的特殊功能,包括电、磁、生物、热、光学等性能,如绝缘介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体、敏感陶瓷等;结构陶瓷主要根据材料的机械和结构用途,具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点。


功能陶瓷约占先进陶瓷市场份额的70%,其余为结构陶瓷。陶瓷材料的军事应用主要集中在结构材料和电子器件方面:

 

1、用于航空发动机

陶瓷基复合材料因其耐高温性能而被用于飞机发动机的热部部件。研究表明,陶瓷基复合材料可使涡轮进口气体温度提高300K以上。此外,陶瓷基复合材料密度低,有助于减轻发动机重量。随着民航业对燃油效率的不断追求,GE航空预计未来十年陶瓷基复合材料在航空领域的应用将增长十倍。

 

2、用于飞机刹车盘

与碳化硅刹车盘相比,碳陶瓷刹车盘静摩擦系数提高1-2倍,湿摩擦性能下降减少60%以上,磨损率降低50%以上,提高一倍至两倍在寿命中。生产周期缩短三分之二,生产成本降低三分之一,能耗降低三分之二,经济效益提高两到三倍。是目前国际上发现的唯一在高达1500℃的高温环境下仍保持物理性能不变质的材料。推广应用后,每年可为中国民航飞机节省成本约3亿元人民币。

 traditional ceramics

3、用于火箭发动机热结构部件

陶瓷基复合材料由于具有高抗热震性、与液体推进剂的高化学稳定性、比金属材料耐高温以及高抗蠕变性,可用于火箭发动机,使其成为液体火箭热结构部件的理想材料引擎。

 

4、用于航天器、导弹的热防护

在重返大气层期间,航天器会经历强烈的空气动力加热,鼻锥和机翼前缘的温度高达 1650°C。热保护系统对于航天器至关重要。 C/SiC复合材料的发展实现了结构功能和散热功能的一体化,特别是哥伦比亚灾难之后,C/SiC陶瓷基复合材料得到了更多关注。热结构材料中的部件包括航天器和导弹的鼻锥、鸭翼、机翼以及外壳。

 advanced ceramics


5、用于卫星反射镜

卫星反射器材料的要求包括低密度、高比刚度、低温下低热膨胀系数(CTE)、高导热性、足够的强度和硬度以及设计灵活性。玻璃和金属反射器在加工大型轻质反射器时存在局限性。因此,国际上正在研究C/SiC复合材料反射器。这些复合材料具有低密度、高刚度、低温下CTE低、导热性好、理想的热性能和机械性能,并且可以进行优异的抛光,使其成为卫星反射器基座的理想材料。

 

6、用于物理防弹

碳化硅可用于防弹衣、战斗机、装甲车等防护层。防弹背心主要由覆盖层和防护层组成,可以吸收子弹或破片的动能,对低速子弹或破片提供显着的防护作用,在一定的压痕限度内减少对胸部和腹部的伤害。碳化硅陶瓷基复合材料可用于制造坚固的耐冲击装甲板。


7、用于飞机装甲

一些军用直升机配备了陶瓷装甲系统,包括陶瓷装甲座椅、部件和面板系统。此外,陶瓷基复合材料还用于陆军装甲车,例如史赛克中型装甲车。

 

8、应用于信息化电子设备

军用陶瓷电容器需求旺盛。除了广泛应用于民用领域外,随着武器装备信息化进程的加快,军用领域陶瓷电容器等电子陶瓷的需求量不断增加,尤其是片式多层陶瓷电容器。

 

陶瓷材料以其独特的耐高温、高强度、轻质、电绝缘性能等性能在现代军工中发挥着重要作用。随着科技的进步和新材料技术的发展,陶瓷材料的应用越来越广泛。陶瓷材料的范围预计将进一步扩大,为当今世界面临的许多挑战提供关键的解决方案。

 



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