高温结构陶瓷
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各 种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时 不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这 类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点， 作为高温结构材料，非常适合。 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温结构材料。它的熔点很高，可作 高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室 中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺， 还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。 2、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，密度小、本身具 有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温 时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到 1000 以上，急剧冷却再 急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、 汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。 3、氮化硼陶瓷 、 碳化硼陶瓷 氮化硼陶瓷 外观与性状:润滑,易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。将 B2O3 与 NH 4Cl 共熔， 或将单质硼在 NH3 中燃烧均可制得 BN。 通常制得的氮化硼是石墨型结构， 俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化 硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中 B －N 键长（156pm）与金刚石在 C－C 键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近， 它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于 制作钻头、磨具和切割工具。 氮 化 硼 产 品 简 介 英文名 Boron Nitride 分子式 BN 分子量 24.81（按 19 79 年国际原子量） 质量标准企业标准（QJ/YH02·08-89） 氮化硼是由氮原子和硼 原子构成的晶体，该晶体结构分为六方氮化硼（HBN）、密排六方氮化硼（WBN） 和立方氮化硼，其中六方氮化硼的晶体结构具有类似的石墨层状结构，呈现松散、润 滑、易吸潮、质轻等性状的白色粉末，所以又称“白色石墨”。理论密度 2.27g/cm3， 比重 2.43，莫氏硬度为 2。六方氮化硼是具有良好的电绝缘性，导热性，化学稳定性； 无明显熔点，在 0.1MPA 氮气中 3000℃升华，在惰性气体中熔点 3000℃，在中性还 原气氛中，耐热到 2000℃，
在氮气和氩中使用温度可达 2800℃，在氧气气氛中稳定 性较差，使用温度 1000℃以下。六方氮化硼的膨胀系数相当于石英，但导热率却为 石英的十倍。 六方氮化硼不溶冷水，水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的硼酸和氮； 与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用溶融的氢氧化钠，氢氧化钾处理才 能分解。 氮化硼的技术指标 1、规格 99 ，ＢＮ≥99% B2O3≤0.5%粒度 D50(um)
≤2.0 2、规格 98 ，B N≥98% B2O3≤0.5%粒度 D50(um)≤2.0 氮化硼的各项性能参
数 1、 高耐热性 3000℃升华，其强度 1800℃为室温的 2 倍，1500℃空冷至室温数 十次不破裂，在惰性气体中 2800℃不软化。 2、 高导热系数热压制品为 33W/M. K 和纯铁一样，在 530℃以上是陶瓷材料中导热最大的材料。 3、 低热膨胀系数 2× 10-6 的膨胀系数仅次于石英玻璃，是陶瓷中最小的，加上其具有高导热，所以抗热震 性能很好。 4、 优良的电性能高温绝缘性好，25℃为 1014Ω—CM，2000℃还可达 到 103Ω—CM，是陶瓷中最好的高温绝缘材料，击穿电压 3KV/MM，低介电损耗 10 8HZ 时为 2.5×10-4，介电常数为 4，可透微波和红外线。 5、 良好的耐腐蚀性与一 般金属（铁、铜、铝、铅等）、稀土金属 ，贵重多属，半导体材料（锗、硅、砷化 钾），玻璃，熔盐（水晶石、氟化物、炉渣）、无机酸、碱不反应。 6、 低的摩擦 系数 u 为 0.16，高温下不增大，比二硫化钼，石墨耐温高，氧化气氛可用到 900℃， 真空下可用到 2000℃。 7、 高纯度含 B 高其杂质含量小于 10PPM，而含 B 大于 4 3.6%。 8、 可机械加工性其硬度为莫氏 2，所以可用一般机械加工方法加工成精度 很高的零部件制品。 六方氮化硼的用途 六方氮化硼可以用于制造 TiB2/BN 复合陶 瓷，还可以用于高级耐火材料和超硬材料，水平连轧钢的分离环，用于耐高温润滑剂 和高温涂料同时还是合成立方氮化硼的原料。 具体用途 1、 金属成型的脱模剂和金 属拉丝的润滑剂。 2、 高温状态的特殊电解、电阻材料。 3、 高温固体润滑剂，挤 压抗磨添加剂，生产陶瓷复合材料的添加剂，耐火材料和抗氧化添加剂，尤其抗熔融 金属腐蚀的场合，热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。 4、 晶体管的热封干燥剂和 塑料树脂等聚合物的添加剂。 5、 压制成各种形状的氮化硼制品，可用做高温、高 压、绝缘、散热部件。 6、 航天航空中的热屏蔽材料。 7、 在触媒参与下，经高温 高压处理可转化为坚硬如金刚石的立方氮化硼。 8、 原子反应堆的结构材料。 9、 飞机、火箭发动机的喷口。 10、高压高频电及等离子弧的绝缘体。 11、防止中子 辐射的包装材料。 12、由氮化硼加工制成
的超硬材料，可制成高速切割工具和地质 勘探、石油钻探的钻头。 13、冶金上用于连续铸钢的分离环，非晶态铁的流槽口， 连续铸铝的脱模剂（各种光学玻璃脱膜剂） 14、做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀 铝、显示器镀铝等的蒸发舟。 15、各种保鲜镀铝包装袋等。 16、各种激光防伪镀 铝、商标烫金材料，各种烟标，啤酒标、包装盒，香烟包装盒镀铝等等。 17、化妆 品用于口红的填料，无毒又有润滑性，又有光泽是法国最好的口红。 4、人造宝石 人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是 Al2O3（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混 有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 1900 年， 科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为 2g-4g 的红宝石。 现在，已经 能制造出大到 10g 的红宝石和蓝宝石。
结构材料—高温结构陶瓷
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强 度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为 结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐
氮化硅陶瓷部件
蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温 结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料 具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、 耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适 合。 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温 结构材料。它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩 埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制 造在实验室中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度 小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以 使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。 2、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它 是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐 磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀 能力强；高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲 近年来， 人们开始研究用 氮化硅陶瓷制造柴油机。 目 （备注：钠蒸气放电发 前， 常用的普通柴油机是用 光问题早在 1950 年就 金属制作的， 由于金属制品 得以解决，由于没有一 在高温时容易损坏， 必须用 种能抵御高温钠蒸气 冷水来冷却。 这样， 就会使 （1400℃）强烈腐蚀的 大量的热量散失到空气中 特殊材料，所以，直到 而浪费掉。 如果用耐高温而 1965 年才制取第一支 且不易传热的氮化硅陶瓷 高压钠灯。） 来制 高压钠灯
击， 在空气中加热到 1000 以上， 急剧冷却再急剧加热， 也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们 常常用它
来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永 久性模具等机械构件。 3、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷
造发动机部件的受热面， 不仅可以提高柴油机的质 4、人造宝石 量， 节省燃料 （不用水冷却， 红宝石和蓝宝石的主要成分都是 Al2O3（刚玉）。红 减少热散失） 而且能提高热 宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝 效率。 我国及美国、 日本等 宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 1900 国家都已研制出了这种柴 年， 科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法， 氮化硅陶瓷制品 油机。（沙漠车） 制出了质量为 2g-4g 的红宝石。 现在，已经 能制造 出大到 10g 的红宝石和蓝宝石。
红宝石
蓝宝石
思考题：
1、用金属作材料有什么弱点？ 2、高温结构陶瓷有什么优点？ 3、例举出几种高温结构材料实例。 4、你知道高压钠灯管为什么用氧化铝陶瓷吗？用氧化硅陶瓷制造柴油机有什么“好处”。
相关链接： 生物陶瓷材料与仿生复合材料
世界高温结构陶瓷复合材料的应用与研 究现状
http://www.chinaccm.com 2001-11-28 9:14
[关键词]世界 陶瓷 复合材料
中华商务网讯:
中商网讯 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提 高发动机的涡轮进口温度，而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直
接相关。50 至 6O 年代，发动机热端都部件材料主要是铸造高温合金，其使用温度为 800－90O℃；进人 80 年代以后，相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及 金属间化合物等，并且热障涂层技术得到了广泛的应用，使热端部件的使用温度提 高到 120O－1300℃，已接近这类合金熔点的 80％，虽然通过各种冷却技术可进一步 提高涡轮进口温度，但作为代价降低了热效率，增加了结构复杂性和制造难度，而 且对小而薄型的热端部件难以进行冷却，因而再提高的潜力极其有限。陶瓷基复合 材料预计在 21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。 近 20 年来，世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷复合材料的研究与 开发—直十分重视，相继制定了各自的国家发展计划，并投人了大量的人力、物力 和财力，对这一新型材料寄予厚望。如美国 NASA 制定的先进高温热机材料计划（H ITEMP）、DOE／NAsA 的先进涡轮技术应用计划、美国国家宇航计划（NASP）、美国 国防关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研 究对象，其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到 1650℃或更高，从而提 高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的，
满足军 事和民用热机的需要。 由于陶瓷材料具有高耐磨性、耐高温和抗侵蚀能力，国外目前已将其应用于发 动机高速轴承、活塞、密封环阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空 发动机高温构件的应用上，到目前为止已报道有的法国将 CVI 法 SiC／Cr 用于狂风战 斗机 M88 发动机的喷嘴瓣以及将 SiC／SiCr 用于幻影 2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷 管内调节片。 此外，有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼 公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件；美 国碳化硅公司用 Si34N／SiCw 制造导弹发动机燃气喷管； 杜邦公司研制出能承受 1 200－1300℃、使用寿命 2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等。目前导弹、无人驾 驶 飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段，美国空军材料实 验室的研究人员认为，12O4-1371℃发动机陶瓷基复合材料已经研制成功。由于提 高了燃烧温度，取消或减少了冷却系统，预计发动机热效率可从目前的 26%提高到 46%。英国罗—罗公司认为，未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压 涡轮盘及叶片、燃烧室、加大燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复 合材料。预计在 21 世纪初，陶瓷基复合材料的使用温度可提高到 1650℃或更高。 (.E301W03000.)
一、前言 从２０世纪８０年代起，陶瓷发动机研究成为热潮，在日本各所大学，国立 与公立研究机构及民营企业，对于高温结构陶瓷材料的研究形成高潮，尤其是新 型能源产业技术综合开发机构研制陶瓷燃气涡轮机的计划代表的各种ＣＧＴ项 目研究，均在９０年代拉开帷幕。
过去１０年间，对于陶瓷纤维的研究曾一度停顿。不过各种研究项目都取得 多项成果，尤其与高温结构陶瓷有关的各种新技术、如材料技术、成型技术、加 工技术及评价技术等，都取得了阶段性成果。 在高温结构陶瓷材料研究中，成为最热门话题并取得重要进步的是氮化硅 （Ｓｉ３Ｎ４）材料。氮化硅陶瓷在高韧性，高温高强度及高机械性能方面，均 表现出显著的特性。 在氮化硅复合材料中， 出现了纤维增强及颗粒分散增强型新 纤维增强及颗粒分散增强型新 材料，它们在提高特性与性能方面具备很多优越特性，同时对它们的评价技术亦 材料 取得进展。在高度控制着材料微细结构的纳米陶瓷复合材料中，重新又提出了Ｚ ｒＯ２系及Ａｌ２Ｏ３系材料。 在陶瓷材料的超耐热性与组合金属高强度高韧性 倾斜功能陶瓷材料方面，经过长达５年时间的国际合作研究，已作为创造新型陶 瓷材料研制
开发思路，提出了高次层结构控制配合陶瓷材料。 利用陶瓷材料的超塑性现象进行超塑性加工、微波烧结技术、放电等离子体 烧结技术等，与陶瓷材料生产有关联的新型技术，均受到高度评价与肯定。 与陶瓷材料生产有关联的新型技术， 与陶瓷材料生产有关联的新型技术 均受到高度评价与肯定。 从结构陶瓷材料发展情况来看， 可以说２０世纪９０年代乃是通向全新领域 的时代。陶瓷作为抗冲击零件及耐磨损零件，很早就寻找到用途，Ｓｉ３Ｎ４齿 轮及ＺｒＯ２制金属包头等许多陶瓷零部件在产业部门获得使用， 并渐渐形成很 大市场。此外，在与过去开发方向不同的领域中，也出现了兼具结构材料与功能 材料两方面特性的功能性结构陶瓷材料新领域。 譬如面向半导体制造装置的各种 陶瓷材料及零件， 即为其代表例之一。 以下对近１０年来高温结构陶瓷材料发展， 作一介绍。 二、陶瓷燃气涡轮机（ＣＧＴ）研究成果 日本从１９８８年起正式开始大型节能技术 节能技术开发研究计划， 其中主要内容为 节能技术 开发研制入口温度在１３５０℃、引擎热效率达到４２％以上，输出功率为３０ ０ＫＷ级的陶瓷燃气涡轮机。 结果在１９９８年由ＣＧＴ３０２小组研制成功入 口温度在１３３４℃（若依外部大气标准可修订为１３９６℃）、热效率达４ ２． １％， 燃气涡轮输出功率超过３００ＫＷ达到３２１． ６ＫＷ的陶瓷发动机。 为了忍耐ＣＧＴ的运转、对于陶瓷材料来讲，最低要保证高温高强度参数为 １５００℃时为４００ＭＰａ以上，高温魏伯尔系数在１５００℃时为２０以 陶瓷发动机的材料开发以Ｓｉ 上， 室温抗破坏强度在８ＭＰａ•ｍ 的目标。陶瓷发动机的材料开发以Ｓｉ３Ｎ 陶瓷发动机的材料开发以Ｓｉ３ 为中心进行。 ４为中心进行。要求在静态状态下使用的陶瓷零件具有高温耐热性与高温高强 度；在动态条件下，使用状况以高温高强度及高韧性为主，围绕此目标探讨提高 材料的特性。在ＣＧＴ性能中最重要的特性——高温条件下高强度方面，已经开 发出由低温烧成控制材料颗粒成长，将其组织微细化，采用热等静压水压压力 由低温烧成控制材料颗粒成长， 组织微细化， 由低温烧成控制材料颗粒成长 将其组织微细化 成型降低内部缺陷， 开发ＣＧ 成型降低内部缺陷，为提高高温耐氧性在粒界晶体相中不含氮的材料。 Ｔ还有一个重要的问题就是提高抗破坏的韧性， 为此采用了以强化颗粒分散来提 以强化颗粒分散来提 高韧性的技术方法， 作为ＣＧＴ使用的高功能化材料已开发研制成功。 高韧性的技术方
法 这样一来， 日本的石油产业活性化中心，围绕未来汽车引擎开发汽车用ＣＧＴ，时间长 达７年之久。 目前的成果是输出功率为１００ＫＷ， 涡轮入口温度为１３５０℃、 热效率超过４０％，耐久性达１００个小时。除研究陶瓷发动机材料外，在包括 润滑油、燃烧引擎系统综合研究方面都有新成果。 陶瓷发动机主要特征是材料中采用了三种复合材料，它们分别是碳纤维、 碳纤维、 碳纤维 氮 化硅、碳化硅等。这类材料系列在抗热冲击破坏试验与颗粒间冲突损伤试验中， 化硅、碳化硅 较之单种材料更显示出突出的优点。这表明将来完全可以开发出复合陶瓷材料。
另一方面。 长纤维系列材料高温耐氧性方面及短纤维系列材料确保较单种材料更 明显的优越性方面，对于复合材料的采用仍有探讨的意义。 ＣＧＴ采用的各种零部件，均需要高水平的形状精确度，为满足这一要求， 在新的成型技术与烧结、加工技术等方面亦有了新发展。正是由于各项技术的进 步，才导致保持世界最高水平的ＣＧＴ的诞生。另外，围绕陶瓷发动机低成本及 解决复杂形状的生产技术问题，结构陶瓷材料在实用方面的开发尚有很大意义。 开发研制陶瓷发动机，对于陶瓷基础技术的发展与提高作出了贡献。 三、氮化硅陶瓷（Ｓｉ３Ｎ４）研究 过去１０年间，Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的抗破坏韧性、在室温及高温状态中的高温 高强度、及热传导率等特性出现了惊人的增长。它只不过是仅仅控制了Ｓｉ３Ｎ ４微细结构技术的发展而已。 在提高材料韧性方面，以如何才能促进 β—Ｓｉ３Ｏ４颗粒发育为主的问 题进行了探讨研究。如果以Ｓｉ３Ｏ４粉末为原料，以粒径大的 β—Ｓｉ３Ｏ ４粉末为晶种添加少量原料，则它们就可以形成颗粒发育的核，促进粗大颗粒发 育增大。 在提高强度方面， 由控制助剂与烧结条件而制成具有微细结构的Ｓｉ３Ｎ４ 烧结体，在室温弯曲强度达到２ＧＰａ的高强度。最近又有报道指出，可以采用 超塑性锻造烧结法促进Ｓｉ３Ｎ４增加强度。 超塑性锻造烧结方法是一边对压力 成型体施加荷重、一边进行烧结促使其变形，再通过颗粒配列进行提高强度与韧 性的方法。采取此种烧结方法可以获得强度为２．１ＧＰａ的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧 结体。 Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧结体中，典型的热传导率为３０Ｗ／ｍ•Ｋ左右，采取控 制微细结构制成的高热传导Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧结体，可以采取几种制作方法。如 将Ｓｉ３Ｏ４－Ｙ２Ｏ３－Ｎａ２Ｏ３作为基础原料， 在１８００℃以上高温中 进行气压烧结，就可以制出柱状颗粒占体积２０％的自身复合
组织结构，从而将 其热传导率一下子提高到１２２Ｗ／ｍ•ｋ。这表明，在这个材料系列中，如果 再利用挤出成型法使Ｓｉ３Ｎ４形成粗大颗粒配向排列的微细结构的话， 就可以 将热传导一直提高到１４０Ｗ／ｍ•ｋ。另外，若采用带状成型法，将 β－Ｓｉ ３Ｎ４配置于Ｓｉ３Ｎ４片状成型体上进行热压烧结法的话， 也可以获得热传导 率超过１２０Ｗ／ｍ•ｋ的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧结体。总之，不论采取何种方法制 成的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷， 它们均将显示出比Ａｌ２Ｏ３及ＡｌＮ更高的强度。 所以， 将来使用于汽车相关的基础原材料时，特别被看重。 对于为提高高温高强度，而对粒界相控制的研究，正在积极进行中。除过去 粒界相晶体化法之外，又重新提出了利用界相形成晶质的组成方法。另外，在Ｓ ｉ３Ｏ４项目中开发出的Ｓｉ３Ｎ４，是利用稀土类氧化物新型助剂来提高熔 点，这样就制出了在１５００℃时，最低保证强度为４００ＭＰａ，魏伯尔系数 在２０以上，迄今世界最高水平的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料。 四、复合陶瓷材料 围绕提高陶瓷的强度与韧性，近年来，对于纤维增强陶瓷材料进行过许多探 讨。 其中陶瓷长纤维复合陶瓷， 具有优秀的特性与高强度、 高韧性， 而最为瞩目， 这方面的研究亦最活跃。 长纤维强度系列的陶瓷材料， 依据所使用的纤维种类， 大致分为ＳｉＣ纤维， 碳纤维、切拉诺纤维等种类。碳纤维增强陶瓷材料，是在基础材料中使用了Ｓｉ ３Ｎ４、莫来石、ＳｉＣ等，其制作方法及具有的各种特性，受到好评。长纤维
绕成法是将呈单轴或双轴向积层成型的成型体作热处理， 即可获得致密纤维增强 陶瓷材料。 这种长纤维增强复合陶瓷显示出单种材料所不具备的很高的抗破坏能 量，不过在使用碳纤维进行ＣＶＤ处理时，即使附着一层氧化膜，要想在高氧高 温度区域完全隔断氧却非常困难。这一点很令人惋惜。妨碍了将此种材料作为高 强度绝热材料使用的可能性，使用ＳｉＣ纤维、切拉诺纤维采用聚合体浸入法及 ＣＶＩ法制成的复合陶瓷材料呈现完全致密状非常困难。 不过它们对于形状复杂 的陶瓷零件的适应性与耐氧性，将有许多用途。 在短纤维增强陶瓷中，将ＳｉＣ晶须分散在母体中的材料很有代表性，作为 市售材料在生产技术上已很成熟。 采用注浆成型法 注浆成型法使晶须呈现二元配向， 即可进 注浆成型法 行常压烧结，成型形状也不会受到限制。添加入２０％晶须时，材料的耐热冲击 性在１０００℃以上，抗破坏韧性亦达到７５ＭＰａ•ｍ形成耐热高韧性特征。 为改善陶瓷的脆性
，推进了晶须复合性研究开发，但过多加入晶须时，采用加热 压制以增加其致密性， 则使制成的形状受到局限。 因此， 现在较之添加短纤维法， 在烧结中使颗粒发育成棒状的自身复合技术以提高韧性的研究成为主流。 目前，将纳米级陶瓷微细颗粒分散在陶瓷晶体颗粒内或粒界，以大规模提高 机械性能的纳米复合材料的研究与开发，颇受重视。纳米颗粒掺入陶瓷颗粒内、 颗粒间或颗粒内与颗粒间两者以设计新材料， 实际上在烧结中生成了粒内／粒界 纳米复合陶瓷材料。这种纳米复合陶瓷材料机械性能大大提高，可达到３倍以上 的强度且显示出明显的最高使用温度，今后在高温结构陶瓷领域中广泛应用。 五、倾斜功能材料（ＦＧＭ） 在高温时配入陶瓷材料，在低温时配入金属材料，由于使陶瓷材料向金属组 成的连续变化，而获得缓和热应力提高隔热效果的热应力缓和型ＦＧＭ，成为日 本独创的一种陶瓷材料。现在围绕超耐热性制作技术、已开发出几种可忍耐表面 温度１７００℃、内部温度７００℃、温差在１０００℃的严酷条件下使用的倾 斜机能材料（ＦＧＭ）。 这种材料系采用化学气相析出法（ＣＶＤ）及等离子体烧结制成。采用ＣＶ Ｄ法时，可使ＳｉＣ连续变化到Ｃ的组成，在显示出耐热性、抗热冲击性等优越 性能的ＳｉＣ－Ｃ系的ＦＧＭ，及Ｃ／Ｃ复合表面浸透ＳｉＣ而获得的ＦＧＭ。 也试验过ＺｒＯ２／ＳＵＳ３０４烧结法、ＴｉＢ２／ＣＵ（放电等离子熔射 法）、ＺｒＯ２／ＮｉＣＹＡｌＹ（等离子熔射法）、ＴｉＮ／Ｔｉ（ＰＶＤ）、 ＳｉＣ／ＴｉＣ（ＣＶＤ）等几种方法制成的倾斜机能材料。
高温结构陶瓷
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用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态
的机械负荷的陶瓷。具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，
以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。
高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大
类。 指 熔 点 高 于 1 72 8℃ 的 氧 化 物 （ 如 氧 化 硅 晶 体 ）
高温氧化物结构陶瓷
或 某 些 复 合 氧 化 物（ 如 氧 化 铝 、氧 化 锆 、氧 化 镁 、氧 化 钙 和 氧 化 钍 等 ） 它 们 。
的重要特点是高温下的化学稳定性好，尤其是抗氧化性能好。但弱点是脆性 较 大 ， 耐 机 械 冲 击 性 差 。 利 用 氧 化 锆 相 变 作 用 增 韧 氧 化 物 陶 瓷 在 20 世 纪 70 年 代 末 获 较 大 进 展 ，氧 化 锆 增 韧 氧 化 铝 ，断 裂 韧 性 参 数 由 2.9MP a/m2 提 高 到 15MP a/m2，抗 折 强 度 由 350MP a 提 高 到 12 00MP a。加 有 氧 化 钇 的 半
稳 定 氧 化 锆 ， 断 裂 韧 性 参 数 也 高 达 9～ 16MP a/m2。 增 韧 氧 化 物 陶 瓷 可 用 于 制 造 锤 子 、
水果刀、剪刀、轴和发动机部件等，可以承受一定冲击而不碎裂。高温氧化
物陶瓷可用作高温炉衬，熔炼稀有金属和纯金属的坩埚，以及磁流体发电装
置的高温电极材料和热机材料。 氧 化 铝 结 构 陶 瓷 的 生 产 ，采 用 γ－ 氧 化 铝（ 见 氧 化 铝 ）为 原 料 与 少 量 添 加 剂 （ 如 MgΟ 等 ） 经 粉 碎 和 混 合 后 按 产 品 的 形 状 ， 尺 寸 及 用 途 ， 采 用 不 同 的 ，
方 法 成 型 。干 压 成 型 时 需 先 将 混 合 后 的 坯 料 造 粒 ，然 后 用 油 压 机 压 制 成 坯 样 。
采用注浆成型时，则将混合后的粉料制成悬浮料浆，注入石膏模中成型。采
用热压注时，用适量石蜡与混合料制成料浆，用热压注机成型。烧成的坯体
需按使用的要求，进行机械加工或研磨。
高温非氧化物结构陶瓷
包 括 氮 化 物 、碳 化 物 、硅 化 物 、硼 化 物 等 。其
中有发展前途的是氮化硅、碳化硅和氮化硼等材料。与氧化物比较，难熔化
合物的热导率较高，热膨胀系数较低，因此具有良好的抗热震性。氮化硅与
碳 化 硅 还 具 有 较 高 强 度 ，硬 度 仅 次 于 金 刚 石 ，耐 磨 性 好 ，是 很 好 的 热 机 材 料 。
采用氮化硅或碳化硅作为燃气轮机和陶瓷发动机的高温部件，与金属部件比
较，可承受较高的工作温度，省去水冷却系统，减轻自重，因而节能效果显
著。由于氮化硼具有优良的热稳定性，而且对金属熔体有很好的耐蚀性，用
它作为水平连续铸钢的分离环，可较氮化硅有更长的使用寿命。
氮化硅结构陶瓷的烧成，按氮化硅合成的方式可分为反应烧结法和烧结 法 。 反 应 烧 结 法 是 将 硅 粉 预 先 成 型 ， 然 后 在 通 氮 的 情 况 下 烧 结 ， 使 氮 化 硅 (S i 3 N4 )的 形 成 和 烧 结 同 时 完 成 。 烧 结 法 是 将 预 先 合 成 的 氮 化 硅 粉 末 在 高 温 与 压
力 同 时 作 用 下 热 压 烧 结 ，或 是 将 氮 化 硅 粉 末 压 成 坯 体 后 ，在 高 温 下 无 压 烧 结 。
高温结构陶瓷
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各 种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时 不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这 类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点， 作为高温结构材料，非常适合。 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温结构材料。它的熔点很高，可作 高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室 中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺， 还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。 2、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，密度小、本身具 有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温 时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到 1000 以上，急剧冷却再 急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、 汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。 3、氮化硼陶瓷 、 碳化硼陶瓷 氮化硼陶瓷 外观与性状:润滑,易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。将 B2O3 与 NH 4Cl 共熔， 或将单质硼在 NH3 中燃烧均可制得 BN。 通常制得的氮化硼是石墨型结构， 俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化 硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中 B －N 键长（156pm）与金刚石在 C－C 键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近， 它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于 制作钻头、磨具和切割工具。 氮 化 硼 产 品 简 介 英文名 Boron Nitride 分子式 BN 分子量 24.81（按 19 79 年国际原子量） 质量标准企业标准（QJ/YH02·08-89） 氮化硼是由氮原子和硼 原子构成的晶体，该晶体结构分为六方氮化硼（HBN）、密排六方氮化硼（WBN） 和立方氮化硼，其中六方氮化硼的晶体结构具有类似的石墨层状结构，呈现松散、润 滑、易吸潮、质轻等性状的白色粉末，所以又称“白色石墨”。理论密度 2.27g/cm3， 比重 2.43，莫氏硬度为 2。六方氮化硼是具有良好的电绝缘性，导热性，化学稳定性； 无明显熔点，在 0.1MPA 氮气中 3000℃升华，在惰性气体中熔点 3000℃，在中性还 原气氛中，耐热到 2000℃，
在氮气和氩中使用温度可达 2800℃，在氧气气氛中稳定 性较差，使用温度 1000℃以下。六方氮化硼的膨胀系数相当于石英，但导热率却为 石英的十倍。 六方氮化硼不溶冷水，水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的硼酸和氮； 与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用溶融的氢氧化钠，氢氧化钾处理才 能分解。 氮化硼的技术指标 1、规格 99 ，ＢＮ≥99% B2O3≤0.5%粒度 D50(um)
≤2.0 2、规格 98 ，B N≥98% B2O3≤0.5%粒度 D50(um)≤2.0 氮化硼的各项性能参
数 1、 高耐热性 3000℃升华，其强度 1800℃为室温的 2 倍，1500℃空冷至室温数 十次不破裂，在惰性气体中 2800℃不软化。 2、 高导热系数热压制品为 33W/M. K 和纯铁一样，在 530℃以上是陶瓷材料中导热最大的材料。 3、 低热膨胀系数 2× 10-6 的膨胀系数仅次于石英玻璃，是陶瓷中最小的，加上其具有高导热，所以抗热震 性能很好。 4、 优良的电性能高温绝缘性好，25℃为 1014Ω—CM，2000℃还可达 到 103Ω—CM，是陶瓷中最好的高温绝缘材料，击穿电压 3KV/MM，低介电损耗 10 8HZ 时为 2.5×10-4，介电常数为 4，可透微波和红外线。 5、 良好的耐腐蚀性与一 般金属（铁、铜、铝、铅等）、稀土金属 ，贵重多属，半导体材料（锗、硅、砷化 钾），玻璃，熔盐（水晶石、氟化物、炉渣）、无机酸、碱不反应。 6、 低的摩擦 系数 u 为 0.16，高温下不增大，比二硫化钼，石墨耐温高，氧化气氛可用到 900℃， 真空下可用到 2000℃。 7、 高纯度含 B 高其杂质含量小于 10PPM，而含 B 大于 4 3.6%。 8、 可机械加工性其硬度为莫氏 2，所以可用一般机械加工方法加工成精度 很高的零部件制品。 六方氮化硼的用途 六方氮化硼可以用于制造 TiB2/BN 复合陶 瓷，还可以用于高级耐火材料和超硬材料，水平连轧钢的分离环，用于耐高温润滑剂 和高温涂料同时还是合成立方氮化硼的原料。 具体用途 1、 金属成型的脱模剂和金 属拉丝的润滑剂。 2、 高温状态的特殊电解、电阻材料。 3、 高温固体润滑剂，挤 压抗磨添加剂，生产陶瓷复合材料的添加剂，耐火材料和抗氧化添加剂，尤其抗熔融 金属腐蚀的场合，热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。 4、 晶体管的热封干燥剂和 塑料树脂等聚合物的添加剂。 5、 压制成各种形状的氮化硼制品，可用做高温、高 压、绝缘、散热部件。 6、 航天航空中的热屏蔽材料。 7、 在触媒参与下，经高温 高压处理可转化为坚硬如金刚石的立方氮化硼。 8、 原子反应堆的结构材料。 9、 飞机、火箭发动机的喷口。 10、高压高频电及等离子弧的绝缘体。 11、防止中子 辐射的包装材料。 12、由氮化硼加工制成
的超硬材料，可制成高速切割工具和地质 勘探、石油钻探的钻头。 13、冶金上用于连续铸钢的分离环，非晶态铁的流槽口， 连续铸铝的脱模剂（各种光学玻璃脱膜剂） 14、做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀 铝、显示器镀铝等的蒸发舟。 15、各种保鲜镀铝包装袋等。 16、各种激光防伪镀 铝、商标烫金材料，各种烟标，啤酒标、包装盒，香烟包装盒镀铝等等。 17、化妆 品用于口红的填料，无毒又有润滑性，又有光泽是法国最好的口红。 4、人造宝石 人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是 Al2O3（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混 有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 1900 年， 科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为 2g-4g 的红宝石。 现在，已经 能制造出大到 10g 的红宝石和蓝宝石。
结构材料—高温结构陶瓷
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强 度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为 结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐
氮化硅陶瓷部件
蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温 结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料 具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、 耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适 合。 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温 结构材料。它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩 埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制 造在实验室中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度 小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以 使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。 2、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它 是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐 磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀 能力强；高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲 近年来， 人们开始研究用 氮化硅陶瓷制造柴油机。 目 （备注：钠蒸气放电发 前， 常用的普通柴油机是用 光问题早在 1950 年就 金属制作的， 由于金属制品 得以解决，由于没有一 在高温时容易损坏， 必须用 种能抵御高温钠蒸气 冷水来冷却。 这样， 就会使 （1400℃）强烈腐蚀的 大量的热量散失到空气中 特殊材料，所以，直到 而浪费掉。 如果用耐高温而 1965 年才制取第一支 且不易传热的氮化硅陶瓷 高压钠灯。） 来制 高压钠灯
击， 在空气中加热到 1000 以上， 急剧冷却再急剧加热， 也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们 常常用它
来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永 久性模具等机械构件。 3、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷
造发动机部件的受热面， 不仅可以提高柴油机的质 4、人造宝石 量， 节省燃料 （不用水冷却， 红宝石和蓝宝石的主要成分都是 Al2O3（刚玉）。红 减少热散失） 而且能提高热 宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝 效率。 我国及美国、 日本等 宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 1900 国家都已研制出了这种柴 年， 科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法， 氮化硅陶瓷制品 油机。（沙漠车） 制出了质量为 2g-4g 的红宝石。 现在，已经 能制造 出大到 10g 的红宝石和蓝宝石。
红宝石
蓝宝石
思考题：
1、用金属作材料有什么弱点？ 2、高温结构陶瓷有什么优点？ 3、例举出几种高温结构材料实例。 4、你知道高压钠灯管为什么用氧化铝陶瓷吗？用氧化硅陶瓷制造柴油机有什么“好处”。
相关链接： 生物陶瓷材料与仿生复合材料
世界高温结构陶瓷复合材料的应用与研 究现状
http://www.chinaccm.com 2001-11-28 9:14
[关键词]世界 陶瓷 复合材料
中华商务网讯:
中商网讯 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提 高发动机的涡轮进口温度，而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直
接相关。50 至 6O 年代，发动机热端都部件材料主要是铸造高温合金，其使用温度为 800－90O℃；进人 80 年代以后，相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及 金属间化合物等，并且热障涂层技术得到了广泛的应用，使热端部件的使用温度提 高到 120O－1300℃，已接近这类合金熔点的 80％，虽然通过各种冷却技术可进一步 提高涡轮进口温度，但作为代价降低了热效率，增加了结构复杂性和制造难度，而 且对小而薄型的热端部件难以进行冷却，因而再提高的潜力极其有限。陶瓷基复合 材料预计在 21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。 近 20 年来，世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷复合材料的研究与 开发—直十分重视，相继制定了各自的国家发展计划，并投人了大量的人力、物力 和财力，对这一新型材料寄予厚望。如美国 NASA 制定的先进高温热机材料计划（H ITEMP）、DOE／NAsA 的先进涡轮技术应用计划、美国国家宇航计划（NASP）、美国 国防关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研 究对象，其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到 1650℃或更高，从而提 高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的，
满足军 事和民用热机的需要。 由于陶瓷材料具有高耐磨性、耐高温和抗侵蚀能力，国外目前已将其应用于发 动机高速轴承、活塞、密封环阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空 发动机高温构件的应用上，到目前为止已报道有的法国将 CVI 法 SiC／Cr 用于狂风战 斗机 M88 发动机的喷嘴瓣以及将 SiC／SiCr 用于幻影 2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷 管内调节片。 此外，有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼 公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件；美 国碳化硅公司用 Si34N／SiCw 制造导弹发动机燃气喷管； 杜邦公司研制出能承受 1 200－1300℃、使用寿命 2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等。目前导弹、无人驾 驶 飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段，美国空军材料实 验室的研究人员认为，12O4-1371℃发动机陶瓷基复合材料已经研制成功。由于提 高了燃烧温度，取消或减少了冷却系统，预计发动机热效率可从目前的 26%提高到 46%。英国罗—罗公司认为，未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压 涡轮盘及叶片、燃烧室、加大燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复 合材料。预计在 21 世纪初，陶瓷基复合材料的使用温度可提高到 1650℃或更高。 (.E301W03000.)
一、前言 从２０世纪８０年代起，陶瓷发动机研究成为热潮，在日本各所大学，国立 与公立研究机构及民营企业，对于高温结构陶瓷材料的研究形成高潮，尤其是新 型能源产业技术综合开发机构研制陶瓷燃气涡轮机的计划代表的各种ＣＧＴ项 目研究，均在９０年代拉开帷幕。
过去１０年间，对于陶瓷纤维的研究曾一度停顿。不过各种研究项目都取得 多项成果，尤其与高温结构陶瓷有关的各种新技术、如材料技术、成型技术、加 工技术及评价技术等，都取得了阶段性成果。 在高温结构陶瓷材料研究中，成为最热门话题并取得重要进步的是氮化硅 （Ｓｉ３Ｎ４）材料。氮化硅陶瓷在高韧性，高温高强度及高机械性能方面，均 表现出显著的特性。 在氮化硅复合材料中， 出现了纤维增强及颗粒分散增强型新 纤维增强及颗粒分散增强型新 材料，它们在提高特性与性能方面具备很多优越特性，同时对它们的评价技术亦 材料 取得进展。在高度控制着材料微细结构的纳米陶瓷复合材料中，重新又提出了Ｚ ｒＯ２系及Ａｌ２Ｏ３系材料。 在陶瓷材料的超耐热性与组合金属高强度高韧性 倾斜功能陶瓷材料方面，经过长达５年时间的国际合作研究，已作为创造新型陶 瓷材料研制
开发思路，提出了高次层结构控制配合陶瓷材料。 利用陶瓷材料的超塑性现象进行超塑性加工、微波烧结技术、放电等离子体 烧结技术等，与陶瓷材料生产有关联的新型技术，均受到高度评价与肯定。 与陶瓷材料生产有关联的新型技术， 与陶瓷材料生产有关联的新型技术 均受到高度评价与肯定。 从结构陶瓷材料发展情况来看， 可以说２０世纪９０年代乃是通向全新领域 的时代。陶瓷作为抗冲击零件及耐磨损零件，很早就寻找到用途，Ｓｉ３Ｎ４齿 轮及ＺｒＯ２制金属包头等许多陶瓷零部件在产业部门获得使用， 并渐渐形成很 大市场。此外，在与过去开发方向不同的领域中，也出现了兼具结构材料与功能 材料两方面特性的功能性结构陶瓷材料新领域。 譬如面向半导体制造装置的各种 陶瓷材料及零件， 即为其代表例之一。 以下对近１０年来高温结构陶瓷材料发展， 作一介绍。 二、陶瓷燃气涡轮机（ＣＧＴ）研究成果 日本从１９８８年起正式开始大型节能技术 节能技术开发研究计划， 其中主要内容为 节能技术 开发研制入口温度在１３５０℃、引擎热效率达到４２％以上，输出功率为３０ ０ＫＷ级的陶瓷燃气涡轮机。 结果在１９９８年由ＣＧＴ３０２小组研制成功入 口温度在１３３４℃（若依外部大气标准可修订为１３９６℃）、热效率达４ ２． １％， 燃气涡轮输出功率超过３００ＫＷ达到３２１． ６ＫＷ的陶瓷发动机。 为了忍耐ＣＧＴ的运转、对于陶瓷材料来讲，最低要保证高温高强度参数为 １５００℃时为４００ＭＰａ以上，高温魏伯尔系数在１５００℃时为２０以 陶瓷发动机的材料开发以Ｓｉ 上， 室温抗破坏强度在８ＭＰａ•ｍ 的目标。陶瓷发动机的材料开发以Ｓｉ３Ｎ 陶瓷发动机的材料开发以Ｓｉ３ 为中心进行。 ４为中心进行。要求在静态状态下使用的陶瓷零件具有高温耐热性与高温高强 度；在动态条件下，使用状况以高温高强度及高韧性为主，围绕此目标探讨提高 材料的特性。在ＣＧＴ性能中最重要的特性——高温条件下高强度方面，已经开 发出由低温烧成控制材料颗粒成长，将其组织微细化，采用热等静压水压压力 由低温烧成控制材料颗粒成长， 组织微细化， 由低温烧成控制材料颗粒成长 将其组织微细化 成型降低内部缺陷， 开发ＣＧ 成型降低内部缺陷，为提高高温耐氧性在粒界晶体相中不含氮的材料。 Ｔ还有一个重要的问题就是提高抗破坏的韧性， 为此采用了以强化颗粒分散来提 以强化颗粒分散来提 高韧性的技术方法， 作为ＣＧＴ使用的高功能化材料已开发研制成功。 高韧性的技术方
法 这样一来， 日本的石油产业活性化中心，围绕未来汽车引擎开发汽车用ＣＧＴ，时间长 达７年之久。 目前的成果是输出功率为１００ＫＷ， 涡轮入口温度为１３５０℃、 热效率超过４０％，耐久性达１００个小时。除研究陶瓷发动机材料外，在包括 润滑油、燃烧引擎系统综合研究方面都有新成果。 陶瓷发动机主要特征是材料中采用了三种复合材料，它们分别是碳纤维、 碳纤维、 碳纤维 氮 化硅、碳化硅等。这类材料系列在抗热冲击破坏试验与颗粒间冲突损伤试验中， 化硅、碳化硅 较之单种材料更显示出突出的优点。这表明将来完全可以开发出复合陶瓷材料。
另一方面。 长纤维系列材料高温耐氧性方面及短纤维系列材料确保较单种材料更 明显的优越性方面，对于复合材料的采用仍有探讨的意义。 ＣＧＴ采用的各种零部件，均需要高水平的形状精确度，为满足这一要求， 在新的成型技术与烧结、加工技术等方面亦有了新发展。正是由于各项技术的进 步，才导致保持世界最高水平的ＣＧＴ的诞生。另外，围绕陶瓷发动机低成本及 解决复杂形状的生产技术问题，结构陶瓷材料在实用方面的开发尚有很大意义。 开发研制陶瓷发动机，对于陶瓷基础技术的发展与提高作出了贡献。 三、氮化硅陶瓷（Ｓｉ３Ｎ４）研究 过去１０年间，Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的抗破坏韧性、在室温及高温状态中的高温 高强度、及热传导率等特性出现了惊人的增长。它只不过是仅仅控制了Ｓｉ３Ｎ ４微细结构技术的发展而已。 在提高材料韧性方面，以如何才能促进 β—Ｓｉ３Ｏ４颗粒发育为主的问 题进行了探讨研究。如果以Ｓｉ３Ｏ４粉末为原料，以粒径大的 β—Ｓｉ３Ｏ ４粉末为晶种添加少量原料，则它们就可以形成颗粒发育的核，促进粗大颗粒发 育增大。 在提高强度方面， 由控制助剂与烧结条件而制成具有微细结构的Ｓｉ３Ｎ４ 烧结体，在室温弯曲强度达到２ＧＰａ的高强度。最近又有报道指出，可以采用 超塑性锻造烧结法促进Ｓｉ３Ｎ４增加强度。 超塑性锻造烧结方法是一边对压力 成型体施加荷重、一边进行烧结促使其变形，再通过颗粒配列进行提高强度与韧 性的方法。采取此种烧结方法可以获得强度为２．１ＧＰａ的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧 结体。 Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧结体中，典型的热传导率为３０Ｗ／ｍ•Ｋ左右，采取控 制微细结构制成的高热传导Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧结体，可以采取几种制作方法。如 将Ｓｉ３Ｏ４－Ｙ２Ｏ３－Ｎａ２Ｏ３作为基础原料， 在１８００℃以上高温中 进行气压烧结，就可以制出柱状颗粒占体积２０％的自身复合
组织结构，从而将 其热传导率一下子提高到１２２Ｗ／ｍ•ｋ。这表明，在这个材料系列中，如果 再利用挤出成型法使Ｓｉ３Ｎ４形成粗大颗粒配向排列的微细结构的话， 就可以 将热传导一直提高到１４０Ｗ／ｍ•ｋ。另外，若采用带状成型法，将 β－Ｓｉ ３Ｎ４配置于Ｓｉ３Ｎ４片状成型体上进行热压烧结法的话， 也可以获得热传导 率超过１２０Ｗ／ｍ•ｋ的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷烧结体。总之，不论采取何种方法制 成的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷， 它们均将显示出比Ａｌ２Ｏ３及ＡｌＮ更高的强度。 所以， 将来使用于汽车相关的基础原材料时，特别被看重。 对于为提高高温高强度，而对粒界相控制的研究，正在积极进行中。除过去 粒界相晶体化法之外，又重新提出了利用界相形成晶质的组成方法。另外，在Ｓ ｉ３Ｏ４项目中开发出的Ｓｉ３Ｎ４，是利用稀土类氧化物新型助剂来提高熔 点，这样就制出了在１５００℃时，最低保证强度为４００ＭＰａ，魏伯尔系数 在２０以上，迄今世界最高水平的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料。 四、复合陶瓷材料 围绕提高陶瓷的强度与韧性，近年来，对于纤维增强陶瓷材料进行过许多探 讨。 其中陶瓷长纤维复合陶瓷， 具有优秀的特性与高强度、 高韧性， 而最为瞩目， 这方面的研究亦最活跃。 长纤维强度系列的陶瓷材料， 依据所使用的纤维种类， 大致分为ＳｉＣ纤维， 碳纤维、切拉诺纤维等种类。碳纤维增强陶瓷材料，是在基础材料中使用了Ｓｉ ３Ｎ４、莫来石、ＳｉＣ等，其制作方法及具有的各种特性，受到好评。长纤维
绕成法是将呈单轴或双轴向积层成型的成型体作热处理， 即可获得致密纤维增强 陶瓷材料。 这种长纤维增强复合陶瓷显示出单种材料所不具备的很高的抗破坏能 量，不过在使用碳纤维进行ＣＶＤ处理时，即使附着一层氧化膜，要想在高氧高 温度区域完全隔断氧却非常困难。这一点很令人惋惜。妨碍了将此种材料作为高 强度绝热材料使用的可能性，使用ＳｉＣ纤维、切拉诺纤维采用聚合体浸入法及 ＣＶＩ法制成的复合陶瓷材料呈现完全致密状非常困难。 不过它们对于形状复杂 的陶瓷零件的适应性与耐氧性，将有许多用途。 在短纤维增强陶瓷中，将ＳｉＣ晶须分散在母体中的材料很有代表性，作为 市售材料在生产技术上已很成熟。 采用注浆成型法 注浆成型法使晶须呈现二元配向， 即可进 注浆成型法 行常压烧结，成型形状也不会受到限制。添加入２０％晶须时，材料的耐热冲击 性在１０００℃以上，抗破坏韧性亦达到７５ＭＰａ•ｍ形成耐热高韧性特征。 为改善陶瓷的脆性
，推进了晶须复合性研究开发，但过多加入晶须时，采用加热 压制以增加其致密性， 则使制成的形状受到局限。 因此， 现在较之添加短纤维法， 在烧结中使颗粒发育成棒状的自身复合技术以提高韧性的研究成为主流。 目前，将纳米级陶瓷微细颗粒分散在陶瓷晶体颗粒内或粒界，以大规模提高 机械性能的纳米复合材料的研究与开发，颇受重视。纳米颗粒掺入陶瓷颗粒内、 颗粒间或颗粒内与颗粒间两者以设计新材料， 实际上在烧结中生成了粒内／粒界 纳米复合陶瓷材料。这种纳米复合陶瓷材料机械性能大大提高，可达到３倍以上 的强度且显示出明显的最高使用温度，今后在高温结构陶瓷领域中广泛应用。 五、倾斜功能材料（ＦＧＭ） 在高温时配入陶瓷材料，在低温时配入金属材料，由于使陶瓷材料向金属组 成的连续变化，而获得缓和热应力提高隔热效果的热应力缓和型ＦＧＭ，成为日 本独创的一种陶瓷材料。现在围绕超耐热性制作技术、已开发出几种可忍耐表面 温度１７００℃、内部温度７００℃、温差在１０００℃的严酷条件下使用的倾 斜机能材料（ＦＧＭ）。 这种材料系采用化学气相析出法（ＣＶＤ）及等离子体烧结制成。采用ＣＶ Ｄ法时，可使ＳｉＣ连续变化到Ｃ的组成，在显示出耐热性、抗热冲击性等优越 性能的ＳｉＣ－Ｃ系的ＦＧＭ，及Ｃ／Ｃ复合表面浸透ＳｉＣ而获得的ＦＧＭ。 也试验过ＺｒＯ２／ＳＵＳ３０４烧结法、ＴｉＢ２／ＣＵ（放电等离子熔射 法）、ＺｒＯ２／ＮｉＣＹＡｌＹ（等离子熔射法）、ＴｉＮ／Ｔｉ（ＰＶＤ）、 ＳｉＣ／ＴｉＣ（ＣＶＤ）等几种方法制成的倾斜机能材料。
高温结构陶瓷
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用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态
的机械负荷的陶瓷。具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，
以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。
高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大
类。 指 熔 点 高 于 1 72 8℃ 的 氧 化 物 （ 如 氧 化 硅 晶 体 ）
高温氧化物结构陶瓷
或 某 些 复 合 氧 化 物（ 如 氧 化 铝 、氧 化 锆 、氧 化 镁 、氧 化 钙 和 氧 化 钍 等 ） 它 们 。
的重要特点是高温下的化学稳定性好，尤其是抗氧化性能好。但弱点是脆性 较 大 ， 耐 机 械 冲 击 性 差 。 利 用 氧 化 锆 相 变 作 用 增 韧 氧 化 物 陶 瓷 在 20 世 纪 70 年 代 末 获 较 大 进 展 ，氧 化 锆 增 韧 氧 化 铝 ，断 裂 韧 性 参 数 由 2.9MP a/m2 提 高 到 15MP a/m2，抗 折 强 度 由 350MP a 提 高 到 12 00MP a。加 有 氧 化 钇 的 半
稳 定 氧 化 锆 ， 断 裂 韧 性 参 数 也 高 达 9～ 16MP a/m2。 增 韧 氧 化 物 陶 瓷 可 用 于 制 造 锤 子 、
水果刀、剪刀、轴和发动机部件等，可以承受一定冲击而不碎裂。高温氧化
物陶瓷可用作高温炉衬，熔炼稀有金属和纯金属的坩埚，以及磁流体发电装
置的高温电极材料和热机材料。 氧 化 铝 结 构 陶 瓷 的 生 产 ，采 用 γ－ 氧 化 铝（ 见 氧 化 铝 ）为 原 料 与 少 量 添 加 剂 （ 如 MgΟ 等 ） 经 粉 碎 和 混 合 后 按 产 品 的 形 状 ， 尺 寸 及 用 途 ， 采 用 不 同 的 ，
方 法 成 型 。干 压 成 型 时 需 先 将 混 合 后 的 坯 料 造 粒 ，然 后 用 油 压 机 压 制 成 坯 样 。
采用注浆成型时，则将混合后的粉料制成悬浮料浆，注入石膏模中成型。采
用热压注时，用适量石蜡与混合料制成料浆，用热压注机成型。烧成的坯体
需按使用的要求，进行机械加工或研磨。
高温非氧化物结构陶瓷
包 括 氮 化 物 、碳 化 物 、硅 化 物 、硼 化 物 等 。其
中有发展前途的是氮化硅、碳化硅和氮化硼等材料。与氧化物比较，难熔化
合物的热导率较高，热膨胀系数较低，因此具有良好的抗热震性。氮化硅与
碳 化 硅 还 具 有 较 高 强 度 ，硬 度 仅 次 于 金 刚 石 ，耐 磨 性 好 ，是 很 好 的 热 机 材 料 。
采用氮化硅或碳化硅作为燃气轮机和陶瓷发动机的高温部件，与金属部件比
较，可承受较高的工作温度，省去水冷却系统，减轻自重，因而节能效果显
著。由于氮化硼具有优良的热稳定性，而且对金属熔体有很好的耐蚀性，用
它作为水平连续铸钢的分离环，可较氮化硅有更长的使用寿命。
氮化硅结构陶瓷的烧成，按氮化硅合成的方式可分为反应烧结法和烧结 法 。 反 应 烧 结 法 是 将 硅 粉 预 先 成 型 ， 然 后 在 通 氮 的 情 况 下 烧 结 ， 使 氮 化 硅 (S i 3 N4 )的 形 成 和 烧 结 同 时 完 成 。 烧 结 法 是 将 预 先 合 成 的 氮 化 硅 粉 末 在 高 温 与 压
力 同 时 作 用 下 热 压 烧 结 ，或 是 将 氮 化 硅 粉 末 压 成 坯 体 后 ，在 高 温 下 无 压 烧 结 。