【应用】陶瓷应用的新天地 应用新天地陶瓷材料

    陶瓷应用的新天地 应用新天地陶瓷材料

陶瓷作为一种工程材料，较之金属、塑料等其他材料有许多无可比拟的优异性能，如耐高温、耐磨损、耐腐蚀、不老化，特别是随着脆性等缺点的逐渐克服，陶瓷的应用越来越广泛，陶瓷成了航天、航空、冶金、建筑、机械、化工、电子、生物医学工程等领域的关键材料。未来的科技对材料的要求越来越苛刻，陶瓷有可能成为解决技术难题的最有希望的材料。除了透明陶瓷、压电陶瓷外，下面再介绍一些陶瓷的其他应用实例。

宇宙飞行器的“头盔”

在晴朗的夜晚，抬头仰望灿烂的星空，有时会看到一道划破夜空的亮光、似昙花一现，稍纵即逝。这是高速运动的陨星与大气剧烈摩擦的结果，摩擦产生的巨大热量可以把陨星的大部分或全部烧毁。

当宇宙飞行器完成航天任务返回地球时，它面临着与陨星一样的处境。研究结果表明：当宇宙飞行器的飞行速度等于声速的3倍时，其前端的温度可达330℃。当飞行速度等于6倍声速时，可达1480℃。宇宙飞行器邀游太空归来，到达离地面高度60～70千米时，其速度仍保持在声速的20多倍，温度在10000℃以上，这样的高温足以把宇宙飞行器化作一团熊熊的烈火。高速带来了高温，这似乎是一道不可逾越的障碍。人们把这种障碍称为“热障”。

怎样使宇宙飞行器克服“热障”，安然地返回地面呢？科学家在分析了“宇宙不速之客”——陨石后发现，陨石表面虽已熔融，但里面的化学成分没有变化。这说明陨星在下落过程中，尽管表面因摩擦生热产生几千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量还来不及传到陨石内部。这给科学家以启发：让宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料做成的“头盔”，把重返大气层时摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车”，达到保护宇宙飞行器的目的。

一位宇航员曾亲眼目睹了宇宙飞船闯过“热障”的壮观：当飞船降落时，首先从舷窗中看到了烟雾，然后又看到了红色、金黄色、黄色、绿色、蓝色等五彩缤纷的火焰，同时还听到了噼噼啪啪的声音，这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧，它们“牺牲”了自己，把飞船内的温度始终维持在正常的范围内，最后使飞船平安地到达地面。

作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的本领大等。烧蚀材料有很多种，其中陶瓷不失为一“佼佼者”。不过，单纯陶瓷材料的抗热冲击性能还经受不了如此激烈的温差变化，最好采用纤维补强。近年来，人们研制成功了许多具有高强度、高弹性模量的纤维，如碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维，用它们可以制成相应的纤维补强陶瓷复合材料。

我国著名科学家严东生院士领导下的中国科学院上海硅酸盐研究所，研制成功了火箭导弹头部用的烧蚀材料——碳纤维—石英复合材料和其他无机烧蚀材料，并将它们应用于我国第一代洲际导弹和远程火箭，成功地解决了端头超高温防热的技术难题，为我国的航天事业作出了贡献。

陶瓷发动机

陶瓷具有较好的高温强度、耐蚀性和耐磨性，尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷，有可能作为高温结构材料来制造发动机。陶瓷发动机已成为当前世界各国竞相开发的目标之一。用陶瓷材料制造的发动机，具有以下优越性。

（l）陶瓷的耐热性好，这可以提高发动机的工作温度，从而使发动机效率大大提高。例如，对燃气轮机来说，目前作为其制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。若采用陶瓷材料，工作温度可达1300℃，使发动机效率提高30％左右。

（2）工作温度高，可使燃料充分燃烧，排出废气中的污染成分大大减少。这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。

（3）陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，可节省能源。

（4）陶瓷具有较高的高温强度和热稳定性，这可延长发动机的使用寿命。

我们知道，发动机是将其他能量（如热能等）转化为机械能的动力装置。其中燃气轮机是利用燃气推动涡轮（由叶轮和转轴组成）旋转做功，内燃机是用活塞在气缸中往复运动做功。目前汽车发动机一般用内燃机。从50年代开始，人们研究将燃气轮机作为汽车动力源。燃气轮机由于采用的是连续燃烧方法，燃料容易充分燃烧，因此可以使用多种燃料，是一种低公害、节省资源的动力装置。而且燃气轮机运行时振动较小，适用于赛车、重型载重汽车等（普通乘用车开车、停车频繁，难以充分发挥燃气轮机的优越性）。

首先让陶瓷获得应用的是高温燃气轮机。用陶瓷制造燃气轮机，不但有利于提高工作温度，降低燃料的消耗，而且陶瓷原料供应丰富，不存在资源紧缺的问题。用陶瓷来代替镍基、钴基等耐热合金，成本可降低到原来的1/30。当然，陶瓷也可用于制造内燃机。在燃气轮机中可试用陶瓷制造的零部件有：叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等。在内燃机中可用陶瓷制造的零部件有：活塞内衬、气缸、预燃烧室、挺杆、阀门、喷嘴、涡轮增压器转子、轴承等。

据说，汽车发动机的所有零部件若都用陶瓷制造，其重量比现在的发动机轻2/3，燃料费将下降20％。看来，陶瓷是汽车产业在激烈竞争中的一张获胜王牌。

1977年，美国福特汽车公司用氮化硅和碳化硅陶瓷制造了一台全陶瓷车用燃气轮机，并进行了运转试验，燃气温度为1230℃，转速为5万转/分。这台燃气轮机成功地运转了25小时。

1982年，瑞典鲍尔鲍和联合公司通过共同研究，用陶瓷制成了燃气轮机，并且进行了燃气轮机乘用车的实际行驶，首次在世界上取得成功。这台燃气轮机的涡轮工作温度为1100℃（目标为1350℃），转速为5万转/分（目标为10万转/分），运行了10小时。

我国在“七五”期间（1986～1990年），有数十个单位在国家科委的组织下，协同攻关，研制成一系列陶瓷发动机的关键零部件，并装配成发动机。不仅顺利通过了台架试验，而且在大型公共汽车上完成了上海与北京间的往返装车路试，使我国成为世界上少数几个有能力进行陶瓷发动机装车路试的国家之一。这种由陶瓷部件装配的发动机，燃油效率高，无需水冷却系统，特别适用于沙漠地区等恶劣环境。该机已进入西北沙漠地区进行性能考核。我国科学家还将研制工作温度更高的陶瓷燃气轮机，他们正为攻克陶瓷发动机难关而不懈地努力着。

陶瓷滚动轴承

滚动轴承是现代机械中的重要部件。它主要用于支承轴及轴上的零件，对整台机器的精度、效率和使用寿命有直接的影响。

滚动轴承从19世纪开始使用以来，至今已有100多年历史。目前全世界一年要生产25亿只滚动轴承，几乎每一台机器设备都要使用滚动轴承。滚动轴承较之滑动轴承具有摩擦系数小、消耗功率少、效率高的优点。它一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成，常用合金钢制造，但同样可用陶瓷制造。

目前，这种陶瓷滚动轴承已经问世。一年一度的名古屋优质陶瓷商品交易会上，日本、英国、德国生产的陶瓷滚动轴承特别引人注目。陶瓷滚动轴承具有下列优点：

（1）陶瓷的耐蚀性好，所以陶瓷滚动轴承适合于在有腐蚀性介质的恶劣环境中工作。

（2）陶瓷滚动体的密度比钢低，转动时对外圈的离心作用力可降低40％，故使用寿命长。

（3）陶瓷的热膨胀系数比钢小，在轴承的间隙一定时，允许在温差变化较大的环境中工作。（4）陶瓷的弹性模量比钢高，具有较好的刚度，有利于提高工作速度，达到较高的精度。

陶瓷滚动轴承的制造材料主要采用氮化硅陶瓷，其中含氧化铝和氧化钇添加剂的陶瓷强度要比含氧化镁的高。

日本已开发成功在高温下采用固体润滑剂的陶瓷滚动轴承，以及用液体或油脂润滑的钢—陶瓷组合滚动轴承或全陶瓷滚动轴承。

目前，陶瓷滚动轴承已应用于涡轮增压器、离心分离器、燃气轮机、柴油机和飞机发动机等。

陶瓷刀具

刀具也是陶瓷的一个重要应用对象。衡量刀具质量的高低，不在于在室温时硬度的高低，关键是在高速切削产生高温的条件下是否仍能保持高硬度。这种在高温时仍能保持高硬度的能力，称为热硬性或红硬性。陶瓷不仅具有高硬度、高耐磨性，而且高温下的热硬性仍较好，因此是理想的刀具材料。

陶瓷刀具材料主要有氧化铝陶瓷、氧化铝—碳化钛陶瓷（含30％碳化钛，目的是提高韧性）、氮化硅陶瓷和复合氮化硅陶瓷等。例如，在加工冷硬铸铁轧辊的时候，复合氮化硅陶瓷刀具可比普通硬质合金刀具切削速度快5倍，刀具寿命提高20～30倍，还能在间断切削工况下顺利工作，而这是硬质合金刀具无法完成的。

在70年代研制成功的立方氮化硼陶瓷刀具，其硬度仅次于金刚石，但耐热性和化学稳定性均大大高于金刚石，能耐1300～1500℃的高温，适合于切削难加工的金属材料。

陶瓷人工关节

现在，人的关节万一损伤，可以换上人工关节，正像机器损坏了，换个零件那样。以前人工关节一般用不锈钢之类的金属材料制成。在气温变化时，特别是遇到阴雨天，装上这种金属关节的人，往往会感到酸痛。这是因为人体里的液体（称为体液）酸碱度会随气候的变化而变化，并与金属关节相互作用，产生电解现象，使人体的局部生理状态紊乱，引起不适的感觉。

如果采用陶瓷材料来制造人工关节，就没有这种痛苦和烦恼了。陶瓷不怕酸碱腐蚀，也不导电，无论体液酸碱度如何变化，对陶瓷都不会起作用。

但话又要说回来，不是任何陶瓷都可以作为人工关节材料的。凡是生物医学材料，除应满足一定的理化性质要求外，还必须满足生物学性能的要求，即生物相容性要求。通俗地说，这种材料不会引起对人体有害的作用，包括产生局部和全身反应，如发炎、中毒、致癌、有刺激性等，同时人体也不会对材料的结构和性能产生灾难性的破坏。换言之，人体和材料要相互容纳，和平共处。

凡是可作为生物医学材料的陶瓷，称为生物陶瓷，它们可用于制造体内修复器件和人工器官。在化学成分上，生物陶瓷通常由存在于生理环境中的离子（钙、磷、钾、镁、钠等）或对人体组织仅有极小毒性的离子（铝、钛等）所组成，因此具有良好的生物相容性。

生物陶瓷的种类很多。例如，氧化铝生物陶瓷强度大，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好，适合于制造人工关节头和臼等对耐磨性要求高的修复体、牙种植体、耳听骨修复体、骨螺丝等。氧化锆生物陶瓷不仅具有良好的耐磨性、抗生理腐蚀性和生物相容性，而且其断裂韧性和强度均优于氧化铝陶瓷，用其制作的髋关节头比氧化铝陶瓷的小20％左右，从而具有更好的耐磨性和更长的寿命，主要用于关节、牙等硬组织的修复和替换。中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家还研制成功了等离子喷涂氧化铝、氧化锆人工骨与关节陶瓷涂层材料，并获得了国家发明奖。