特種陶瓷材料在軍工產品中的應用

     軍工新材料包括高溫合金、碳纖維和特種陶瓷材料

其中，特種陶瓷材料和常規材料相比，具有巨大的優勢：其密度只有高溫金屬合金的1/4~1/3，強度大、耐磨，具有良好的耐高溫、抗高溫蠕變性能，在航空、軍事和工業領域都可以得到應用，尤其在航空航天發動機的熱端部件上具有優勢。

1航空發動機領域：是發展高推重比航空發動機理想材料，有望取代高溫合金；

2航天領域：可用于火箭發動機熱結構件、飛行器的熱防護系統等；

3汽車工業領域：提高整車性能，減輕車身重量；

4核電：可用于核電高溫部件及核燃料的包殼材料等；

5兵器：用于炮筒。

    用于提高渦輪發動機的效率陶瓷具有耐高溫性能，可以使用陶瓷基復合材料和陶瓷熱障涂層來增加渦輪發動機的效率。陶瓷可以在高于1100℃溫度下工作而不需要或者需要很少冷卻，陶瓷基復合材料也比目前使用的金屬合金輕30?50％。復合燃燒器內襯和渦輪葉片都涂有陶瓷時，操作溫度可提高到1650℃，并可在燃燒環境中保護各個部件?；谘趸x的多組分陶瓷涂料通過1650℃連續300小時測試。

     用于航空發動機及飛機剎車盤對于航空發動機來說，提高渦輪前燃氣溫度是提高發動機推力的主要技術途徑，但是目前的渦輪前燃氣溫度已經逐步接近高溫合金自身的熔點，溫度上升空間很小，因此需要有替代材料。陶瓷基復合材料具有耐高溫特性，可用于熱端構件。研究表明陶瓷基復合材料可將渦輪前燃氣溫度在現有的基礎上提高300K以上。同時陶瓷基復合材料密度小，有利于發動機減重。隨著民用航空業對提高燃油效率的不斷追求，通用航空GE預計在今后十年陶瓷基復合材料在航空中的應用將增長十倍。碳陶剎車盤與上一代剎車盤相比，靜摩擦系數提高1-2倍，濕態摩擦性能衰減降低60%以上，磨損率降低50%以上，使用壽命提高1-2倍。生產周期降低2/3，生產成本降低1/3，能耗降低2/3，性價比提高2-3倍。是目前國際上發現唯一能在1500℃高溫環境下，各項物理性能不發生衰減的材料。推廣應用后，每年可為中國民航客機節約成本3億元左右。

     用于火箭發動機熱結構件陶瓷基復合材料可用于火箭發動機中。由于陶瓷基復合材料耐熱沖擊性高，對液體推進劑化學穩定性高，比金屬材料耐高溫，具有較高的抗蠕變性，是一種理想的液體火箭發動機熱結構件材料。

    用于航天飛行器和導彈的熱防護材料航天飛行器在進入大氣的過程中，由于強烈的氣動加熱，飛行器的頭錐和機翼前緣的溫度高達1650℃，熱防護系統是航天飛行器的關鍵技術之一。第一代熱防護系統的設計是采用放熱-結構分開的思想，即冷卻結構外部加放熱系統。C/SiC復合材料的發展，使飛行器的承載結構和放熱一體化。

    在熱結構材料的構件中包括航天飛機和導彈的鼻錐、導翼、機翼和蓋板等。陶瓷多孔隔熱材料具有均勻分布的孔隙，氣孔率高、體積密度小，具有發達的比表面積及獨特的性能，相比于金屬熱防護結構，陶瓷多孔隔熱瓦熱膨脹系數較低，即使溫差很大時，也不會產生很大的熱應力而使材料變形。同時由于防熱層密度越低，防熱層效率越高、質量越小，陶瓷多孔隔熱瓦的低密度可以給飛行器帶來更好的機動性、增加更多的有效載荷、承受更高的溫度。相比于柔性熱防護結構，陶瓷多孔隔熱瓦則可承受更高的熱流密度，承受一定的載荷，并且可以保持飛行器的氣動外形保持不變。陶瓷多孔隔熱瓦熱防護結構基于上述優點，在可重復使用的運載器上得到了廣泛應用，占據了航天飛行器熱防護系統中的絕大部分。按照材料內部結構，可將陶瓷多孔隔熱材料分為陶瓷纖維隔熱材料和陶瓷孔隙隔熱材料兩類。

     用在飛機裝甲方面一些軍用直升機均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統等部件在內的陶瓷裝甲系統。此外，陶瓷基復合材料還應用在陸軍的裝甲戰車上，如斯特瑞克中型裝甲車。

     用于衛星反射鏡等光學系統對于某些類型的能量如光、或其它一些類似的形式來說，陶瓷材料是透明的，所以，紅外穹頂、傳感器保護和多光譜窗口均可以使用陶瓷。除了光學性能，先進陶瓷材料還有這些設備所渴求的耐磨性、高強度和熱穩定性。衛星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數CTE低、高導熱性以及適當的強度和硬度、可設計性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此，國內外都正在研究C/SiC復合材料反射鏡，該復合材料密度較低，剛度高，在低溫下熱膨脹系數小及導熱性能良好，熱性能和力學性能都比較理想，而且可以得到極好的表面拋光，是一種十分理想的衛星反射鏡基座材料。美國、俄羅斯、德國、加拿大等利用碳纖維增強碳化硅復合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。

    氮化硅（非氧化物陶瓷）有著優異的機械強度和介電性能，被用于最新的導彈防空系統的雷達天線罩，微波或其他能量可以穿過這種材料來定位襲擊目標。其很高的機械強度讓導彈系統可以承受在大氣層超高速飛行時產生侵蝕和溫度劇變。正在開發使用的還有用于導彈紅外透明窗口的納米氧化釔陶瓷（氧化物陶瓷的一種）。另外用于航空中的擋風玻璃、爆炸防護罩，以及飛機傳感器等透明材料也在研發之列。適用于傳感器的尖晶石陶瓷材料（鋁酸鎂）在紅外區域有著優異的光學性能，而之前的保護裝置吸收能量，影響信號交流效率。

     用于信息化電子器件軍用陶瓷電容器需求旺盛。電子陶瓷除了在民用領域被廣泛應用，隨著武器裝備信息化的加速，如陶瓷電容器這類電子陶瓷在軍工領域的需求不斷增大，尤其是片式多層瓷介電容器（MLCC，市占率超過90%），而軍用市場對電容器質量要求較高，中國軍用陶瓷電容器市場規模常年保持10%以上的增長。

     陶瓷材料及陶瓷基復合材料會被用在裝甲中如防彈衣、戰機和裝甲車的防護層等。防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成，防彈層可吸收彈頭或彈片的動能，對低速彈頭或彈片有明顯的防護效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷基復合材料可以用于制造堅固的抗擊打的盔甲板。我國是世界上三大的防彈衣生產國，在國際市場上，我國防彈衣價格大約500美元左右，而其他國家的防彈衣價格在800美元左右，在制造成本方面我國存在優勢。和傳統的材料如塑料和金屬相比，先進的陶瓷材料具有質輕、耐高溫、硬度高、耐摩擦、耐腐蝕、摩擦系數小和特殊的電導性能等優點。常用的陶瓷片材料為二硼化鈦、碳化硼、碳化硅、氧化鋁等。被廣泛應用于抗擊中等口徑槍的輕質耐用防彈衣上。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷能優化復合材料結構結合，制造堅固的抗多發打擊裝甲片。阿帕奇、小羚羊、超級美洲獅、超級眼鏡蛇、黑鷹、奇努克和其他一些軍用直升機均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統等部件在內的陶瓷裝甲系統。