耐磨陶瓷管

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                        耐磨陶瓷發展新動向

                        日期:2015-10-30 19:25

                        前言

                        耐磨陶瓷有熱壓鑄、熱壓、靜壓及氣相沉積等多種成型方法,這些陶瓷由于其化學組成、顯微結構及性能不同于普通陶瓷,故稱為耐磨陶瓷或陶瓷,在日本稱為精細陶瓷。耐磨陶瓷不同的化學組成和組織結構決定了它不同的特殊性質和功能,如高強度、高硬度、高韌性、耐腐蝕、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、光電、電光、聲光、磁光等。由于性能特殊,這類陶瓷可作為工程結構材料和功能材料應用于機械、電子、化工、冶煉、能源、醫學、激光、核反應、宇航等方面。一些經濟發達的,特別是日本、美國和西歐的,為了加速新技術革命,為產業的發展奠定物質基礎,投入大量人力、物力和財力研究開發耐磨陶瓷,因此耐磨陶瓷的發展十分迅速,在技術上也有很大突破。耐磨陶瓷在現代工業技術,特別是在、新技術領域中的日趨重要。本世紀初耐磨陶瓷的市場規模預計將達到500億美元,因此許多科學家預言:耐磨陶瓷在二十一世紀的科學技術發展中,必定會占據十分重要的。

                         

                        生產工藝技術方面的新進展

                        (1)在粉末制備方面,目前引人注目的是超高溫技術。利用超高溫技術不但可廉價地研制耐磨陶瓷,還可廉價地研制玻璃,如光纖維、磁性玻璃、混合集成電路板、零膨脹結晶玻璃、高強度玻璃、人造骨頭和齒棍等。此外,利用超高溫技術還可以研制出象鉭、鉬、鎢、釩鐵合金和鈦等能夠應用于太空飛行、海洋、核聚變等領域的材料。例如日本在4000—15000℃和一個大氣壓以下制造金鋼石,其效率比現在普遍采用的低溫低壓等離子體技術高一百二十倍。

                        超高溫技術具有如下優點:能生產出用以往方法所不能生產的物質;能夠獲得純度較高的物質:生產率會大幅度提高;可使作業程序簡化、易行。目前,在超高溫技術方面居較高的是日本。據統計,2000年日本超高溫技術的耐磨陶瓷市場規模也將會超過20萬億日元。此外,溶解法制備粉末、化學氣相沉積法制備陶瓷粉末、溶膠K凝膠法生產莫來石超細粉末以及等離子體氣相反應法等也引起了人們的關注。在這幾種方法中,絕大部分是近年開發研究出來的或是在近期得以完善的。

                        (2)在成型及燒結方面,熱等靜壓法為引人注目。該法與熱壓法相比能使物料受到各向同性的壓力,因而其瓷質均勻,此外由于熱壓靜法可以施加幾千個大氣壓的高壓,這樣就使得要燒結的材料能在極低的溫度下得以燒結。目前,市場上出售的熱等靜壓法設備的較高使用溫度及較高壓力通常為2000℃,2000個大氣壓。

                        (3)在耐磨陶瓷的精密加工方面,真空擴散焊接法是一種有前途的方法。采用真空擴散焊接法不僅可獲得高強度、高致密度、高幾何尺寸精度的金屬陶瓷制品(泄漏率不大于5×10ˉ11立方米·帕/秒),而且無需使用貴重的稀有焊料,可用于制作各種形狀、各種尺寸,特別是大規格的金屬陶瓷制品。

                        另外,采用刀具加工陶瓷也引起了人們的較大興趣。目前,這方面的工作僅處于研究實驗階段,由于用超高精度的車床和金剛石單晶車刀進行加工,以微米數量級的微小吃刀深度和微小的走刀量,能獲得0.1微米左右的加工精度,因而許多把這種加工技術作為超精密加工的一個方面而加以開發研究。

                         

                        應用方面的新發展

                        耐磨陶瓷由于擁有眾多優良性能,因而用途廣泛?,F按材料的性能及種類簡要說明。
                        (1)、耐熱性能優良的耐磨陶瓷可望作為超高溫材料用于原子能有關的高溫結構材料、高溫電極材料等。

                        (2)、隔熱性優良的耐磨陶瓷可作為新的高溫隔熱材料,用于高溫加熱爐、熱處理爐、高溫反應容器、核反應堆等。

                        (3)、導熱性優良的耐磨陶瓷極有希望用作內部裝有大規模集成電路和超大規模集成電路電子器件的散熱片。

                        (4)、耐磨性優良的硬質耐磨陶瓷用途廣泛,目前的工作主要是集中在軸承、切削刀具方面。

                        (5)、高強度的陶瓷可用于燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪、套管等;在加工機械上可用于機床身、軸承、燃燒噴嘴等。目前,這方面的工作開展得較多,許多家如美國、日本、德國等都投入了大量的人力和物力,試圖取得較高。這類陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化鋁、氧化鋯等。

                        (6)、具有潤滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼引人注目,目前國外正在加緊研究。

                        (7)、生物陶瓷方面目前正在進行將氧化鋁、磷石炭等用作人工牙齒、人工骨、人工關節等研究,這方面的應用引起人們較大關注。

                         

                        今后研究與開發的重點

                        (1)、耐磨陶瓷基礎技術的研究,例如燒結機理、檢測技術和粉末制備技術等;

                        (2)、超導陶瓷的研究;

                        (3)、耐磨陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的正確方法,因而許多都把它作為一項主要內容而加以研究;

                        (4)、陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復合增強材料等的重要基礎,目前國外,尤其是日本對陶瓷纖維及晶須增強金屬復合材料的研究重視,其研究主要集中于碳化硅及氮化硅;
                        (5)、多孔陶瓷由于具有特殊結構,所以引起了各界的重視;

                        (6)、陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它材料復合(陶瓷纖維增強陶瓷,陶瓷纖維增強金屬)問題也是現階段的研究重點。

                        (7)、在非氮化物陶瓷中,目前國外研究較多的是陶瓷發動機,高壓熱交挽器及陶瓷刀具等;

                        (8)、隨著生物化學,生物醫學這些新興學科的發展,生物陶瓷的開發研究也變得越來越重要。

                         

                        耐磨陶瓷在汽車上的應用

                        近年來,對于汽車陶瓷發動機的開發研制即將進入正式使用階段。耐磨陶瓷在汽車上的大量運用,將大大改良汽車自身的質量與功能效率,顯示出明顯的經濟價值與社會價值。

                        1、優良的機械性能與材料性能

                        由于汽車行駛的速度越來越快,使用的范圍越來越廣泛,其使用環境將來越來越苛刻。在許多情況下以傳統的金屬材料制成的零件與部件已不能滿足汽車工業的發展,而將陶瓷制品用于汽車將具備很多優良的功能與機械性能。如可以長期耐20G的振動功能;用于燃燒、排氣 零件可以長期忍耐50—60℃急熱急冷;機械性能的可靠性高,故障率僅在10ˉ5以下;耐磨陶瓷可與金屬或其它材質接合性良好;可以大批量生產且價格低廉等等。

                        從事汽車材料的研究人員,經過長年的開發、研制、試驗與工業化應用證明:許多部位改用陶瓷材料后,其機械特性遠遠優于金屬材料或其它材料制成的零、部件。

                        2、豐富多樣的耐磨陶瓷零、部件

                        2.1 氧化鋯氧傳感器

                        氧化鋯陶瓷質氧傳感器可靠性很高。作為凈化排氣的部件,用它測定排氣中的O2濃度,再將該測定值反饋給發動機給氣及燃料供給系統,以促進內燃機的燃燒經常保持在充分燃燒狀態。這樣可以達到顯著的節能效果。由于采用的陶瓷材料全部的相位是完全立方晶型的穩定氧化鋯、四方晶型和單斜晶型混合的部分穩定氧化鋯,在使用過程中機械性能優良,而且可以減少許多由于摩擦產生的熱,延長部件的使用時間。

                        2.2 陶瓷氣門加熱器

                        為使發動機起動時完全燃燒,在其吸氣側裝備有加熱裝置,亦稱氣門加熱器,以促進加熱吸氣,使燃料的蒸發混合完全。在吸氣加熱時,為控制好溫度、提高裝置的可靠性,將鈦酸鋇陶瓷系列的PTC(熱敏電阻)用作氣門加熱器。采用陶瓷氣門加熱器后,發動機一經發動即處于完全燃燒狀態,從而達到凈氣排放與提高燃燒,效率的功效。陶瓷氣門加熱器即由陶瓷材質的零件構成。

                        2.3 陶瓷爆燃傳感器

                        為提高汽車燃燒系統燃料效率,人們希望發動機內部的爆燃經常調整在活塞的上止點發生。采用壓電陶瓷爆燃傳感器即可在反復應用的條件仍然能抗疲勞,延長使用壽命?,F在汽車上已經采用裝置有PZT陶瓷元件的爆燃傳感器。這種陶瓷爆燃傳感器使用性能好,使用數千個小時仍保持穩定不變。

                        2.4 陶瓷發動機方面
                        陶瓷在汽車中的應用,得到普及發展的有陶瓷活塞型發動機。將來會出現副燃燒室、活塞頭、汽缸襯套、汽缸頭、增壓轉子等陶瓷部件與零件。這些部位可以采用氮化硅結合碳化硅或部分穩定氧化鋯等耐磨陶瓷材料。在燃氣渦輪發動機方面,家用轎車為實現與柴油機同量的燃料費用,渦輪進口溫度要高達1350℃,而可以忍耐這一高溫的只有碳化硅及氮化硅陶瓷材料。目前,汽車與材料人士們都對碳化硅與氮化硅材料寄以厚望,并確認將來汽車渦輪的轉子、定子使用上述耐磨陶瓷材料較為理想。

                        2.5 汽車減震裝置

                        尤其是較好轎車的減震裝置,近年頗受關注。如果利用正壓電效應,逆壓電效應和電致伸縮效應等智能陶瓷材料研制成智能減震器。這樣就可以將轎車因粗糙路面形成的震動降到較低限度,而使乘車人員免受顛波這苦。這類汽車減震裝置由于采用高靈敏度陶瓷元件,在轎車行駛中的感知與調節過程僅需20秒即可完成。

                        結 論

                        迄今為止,陶瓷界已確認有數10種陶瓷材料應用在汽車制造方面。由于大量采用性能優良的陶瓷零、部件及元件,汽車實現了如下的優點:①節能、節耗、提速;②杜絕廢氣排放,凈化城市環境;③降低噪聲污染;④降低機械摩擦產生的廢熱;⑤抗震與抗磁化,使司乘人員舒適;⑥為實現智能化汽車奠定了基礎。展望21世紀的汽車陶瓷,必然會形成大廣闊的市場需求,也為陶瓷工業進一步的發展提供了巨大的空間。我國汽車工業正在邁人快速發展增長的階段,汽車產品中雖然也采用了部分陶瓷元件、部件,但是數量與質量方面遠遠不夠,與同行存在巨大差距,許多汽車用耐磨陶瓷產品尚需國外進口。但也給我國陶瓷工業提供一巨大的市場,因此在未來20年時間中存在很大的發展空間。

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