[科普中國]-工程陶瓷

工程陶瓷，又叫氮化硅陶瓷或高強(qiáng)度陶瓷，是以硅粉為原料，分別采用反應(yīng)燒結(jié)和熱壓兩種工藝方法制造而成。它幾乎具備了現(xiàn)代陶瓷家族中的一切長處，強(qiáng)度一般都很高，具有極其優(yōu)良的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕，還是一種很好的電絕緣材料。

介紹在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱為工程陶瓷，它主要在高溫下使用，也稱高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這類陶瓷具有在高溫下強(qiáng)度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點，是空間技術(shù)、軍事技術(shù)、原子能、工業(yè)及化工設(shè)備等領(lǐng)域中的重要材料。1

工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究最多的，被認(rèn)為最有發(fā)展前途的是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物三類材料。

性能指標(biāo)陶瓷工作表面耐磨性是錳鋼的100倍以上，高鉻鑄鐵的20倍以上；比耐磨橡膠高幾倍至幾十倍以上。陶瓷金屬結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到300kg/㎝2使用溫度可達(dá)500℃。 使用耐磨陶瓷制造的設(shè)備，使用壽命可提高五倍以上，性能價格比可提高3倍以上。

性能特點1. 硬度大，一般硬度大于HRA80以上，最高可達(dá)到92以上；

2. 耐磨性能極好：是普通碳鋼的至少200以上，高鉻鑄鐵的10倍以上；

3. 重量輕：氧化鋁比重一般只有3.6左右，碳化硅為2.7左右，氧化鋯為6左右；

4. 耐熱性能好：不同耐磨陶瓷的耐熱性不盡相同，但用于耐顆粒沖刷場合，耐熱性沒有任何問題。

應(yīng)用在空間技術(shù)領(lǐng)域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和溫度急變、強(qiáng)度高、重量輕且長壽的結(jié)構(gòu)材料和防護(hù)材料，在這方面，結(jié)構(gòu)陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船即開始使用高溫與低溫的隔熱瓦，碳-石英復(fù)合燒蝕材料已成功地應(yīng)用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。未來空間技術(shù)的發(fā)展將更加依賴于新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，在這方面結(jié)構(gòu)陶瓷尤其是陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。2

高新技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代戰(zhàn)爭制勝的法寶。在軍事工業(yè)的發(fā)展方面，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷占有舉足輕重的作用。例如先進(jìn)的亞音速飛機(jī)，其成敗就取決于具有高韌性和高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷和纖維補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。

制法“氮化硅陶瓷”是以硅粉為原料，分別采用反應(yīng)燒結(jié)和熱壓兩種工藝方法制造而成。第一種方法是，先把硅粉制作所需生坯，然后在1200℃的高溫中讓其與氮氣初步氮化。初步氮化了的毛坯經(jīng)過修制加工后，再放在1350-1450℃的高溫下進(jìn)行第二次氮化，從而制出了氮化硅陶瓷。這種方法叫做反應(yīng)燒結(jié)氮化硅。用這一方法制出的陶瓷器件有個特點，即不會收縮，精度很高。第二種方法是先把硅粉氮化做成氮化硅粉末，再加入少量的氧化鎂，置于模具里，在1700-1800℃的高溫下施加二、三百個大氣壓力熱壓而成。后者是氣孔率接近于零的致密陶瓷，前者則含有較多氣孔。3

優(yōu)點強(qiáng)度高工程陶瓷幾乎具備了現(xiàn)代陶瓷家族中的一切長處，它們的強(qiáng)度都很高，特別是熱壓氮化硅，室溫抗彎強(qiáng)度一般都在8000～10000公斤/厘米2的范圍內(nèi)。如果添加入量氧化釔和氧化鋁的熱壓氮化硅，室溫抗彎強(qiáng)度竟可達(dá)15000公斤/厘米2，使陶瓷材料的強(qiáng)度越過了一萬公斤的大關(guān)，這在陶瓷材料中可以說是名列前茅了。它的硬度也很高，是世界上最堅硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，受熱后不熔融成液體，而一直到1900℃方才分解為硅和氮。同時，耐冷熱急變的能力也很好，把它們從室溫突然加熱到千度以上的高溫，再突然扔到水里也不決不會開裂，為此，最適宜用來制造高溫燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，高溫坩堝等。由于它硬度很高，用它做成切削金屬的刀具，即使在快速摩擦而產(chǎn)生高熱的情況下也不會軟化、氧化，因此很適用于高速切削和切削諸如炮筒、剎車筒之類的硬質(zhì)鋼件。它能做金屬不能勝任的事，用氮化硅陶瓷制作燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片有廣泛的用途。因為燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)的動力機(jī)械，噴氣式飛機(jī)、火力發(fā)電站、機(jī)車和載重汽車等都要用到它。

耐磨耐腐蝕工程陶瓷又有極其優(yōu)良的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕的本領(lǐng)，是制造各種易腐蝕部件的好材料。它能耐幾乎所有的無機(jī)酸（氫氟酸除外）和30%以下的燒堿溶液。它也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕。它還可以耐很多熔融的有色金屬的侵蝕，特別是鋁液。鋁液對氮化硅是不潤濕的，所以用它做成接觸鋁液的結(jié)構(gòu)部件不會有玷污之虞。

絕緣氮化硅陶瓷還是一種很好的電絕緣材料，它的電絕緣性能可以和氧化鋁陶瓷相比。它還有透微波的性能，可以用作雷達(dá)天線罩。它的介電性能隨溫度的變化甚小，在高溫下至少可用到550℃。它的抗熱震性能在各類陶瓷中是比較優(yōu)越的，這使它有可能在六個馬赫（即六倍于音速），甚至于可在七個馬赫的飛行速度下使用。

全能工程陶瓷及其衍生物陶瓷本領(lǐng)高強(qiáng)，素被譽為“陶瓷之王”的氧化鋁陶瓷也不及它，難怪人們贊美工程陶瓷（氮化硅陶瓷）為陶瓷家族中的“全能冠軍”。

研磨工藝方法1、試驗方法2

離散磨料研磨在行星式雙面研磨機(jī) 上進(jìn)行 。上、下研磨盤材質(zhì)有鑄鐵、紫銅、錫鉛臺金、起絨皮革等。為了提高研磨效率，在金屬研磨盤上加工出螺紋或矩形溝槽。其運動速度可變頻無級調(diào)速，通過控制減壓閌的氣壓來調(diào)節(jié)氣缸輸出力( 即研磨壓力 ) 的大小。所用的金剛石磨料有W28,W14,W7,W3,WI 微粉。固結(jié)磨料研磨是在改進(jìn)的單面研磨機(jī)上進(jìn)行。工件用天蠟粘在磨盤表面，研磨片用粘結(jié)劑粘在可繞自身軸線轉(zhuǎn)動的行星輪上， 通過控制氣缸壓 力來調(diào)節(jié)研磨壓力。磨盤的轉(zhuǎn)速可變頻無級調(diào)速，金剛石研磨片的粒度有：W28,W14,W7,W3,Wl ，結(jié)合劑有青銅結(jié)臺卉、樹脂結(jié)合劑、濃度有：7 5 %,1 0 0%,1 5 0%。在研磨前后， 用超聲波清洗機(jī)清洗工件。在精天平上稱出研磨前后的重量、用精密測微儀測量件和研磨片的厚度尺寸變化。 測量研磨前后的工表面租髓度( J I I )，統(tǒng)計研磨中的不良品率。

2、試驗結(jié)果機(jī)理分析

磨削比( G ) 、研磨量( O ) 影響越大，研磨后工件表面粗糙度值越大， 磨料滾動嵌工件并切削的能力越強(qiáng)。研磨量也越大，而過細(xì)的顆粒在研磨中不起作用。放在研磨中( 尤其在精研磨中) 選用的金剛石散粉三維尺寸要盡量均勻本試驗中選用的是杜邦公司生產(chǎn)的聚晶金剛石粉， 聚晶金剛石粉比單晶金剛石微粉更接近于球形， 研磨效果較好。對固結(jié)磨料研磨還能看出：粗糙度的改善是以降低研磨片的磨削比為代價， 而且磨削比降低的幅度要比表面粗糙度改善的幅度大得多。因此，在表面糙度能滿足的前提下，盡可能選用粗的微粉或采取先粗研磨后精研磨，以解決磨料消耗和工件最終表面質(zhì)量的矛盾。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)