中國粉體網訊 精細陶瓷因原料細、工藝精而得名，是一種典型的無機非金屬材料，因其優異的性能受到廣泛關注，被稱為是繼金屬材料、有機高分子材料之后的第三項材料革命。精細陶瓷按用途分可分為功能陶瓷和工程陶瓷，按其化學組成可分為氧化物系和非氧化物系陶瓷。其具有廣泛的熱學、力學、生化、電磁、光學和核聚變功能，應用于航空航天、機械、化工等領域。
精細陶瓷應用雖廣泛，但它擁有一顆易碎的“玻璃心”，顯然提高陶瓷材料的斷裂韌性是擴大其應用范圍的前提。近年來，增韌后的精細陶瓷材料憑借其高強、高硬、高溫抗氧化性和高導熱性等優點，受到西北工業大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學等國內外科研機構與工業界的高度重視，已在航空航天領域、電子半導體領域、核工業領域和新能源等方面廣泛應用。
典型的精細陶瓷材料
SiCf/SiC復合陶瓷材料
SiC是非氧化物陶瓷材料中研究和應用最廣泛的陶瓷材料。SiC陶瓷具有高強度和高硬度，但其斷裂韌性較低，需要通過復合改性提升。用連續纖維增強SiC陶瓷基體是提高韌性的最有效方式，其增韌原理是將連續纖維作為增強骨架，使其為主要受力單元，同時在纖維之間填充陶瓷顆粒，將纖維形成統一整體。SiCf/SiC復合材料由碳化硅纖維（SiCf）增強體和碳化硅（SiC）基體組成，在保留SiC陶瓷原有的高強度、耐高溫等特性的同時，由于引入了連續碳化硅纖維，韌性得到大幅提高。SiCf/SiC復合材料由SiC纖維增強體、界面相、SiC基體和表面防護涂層四大結構單元組成，其協同作用決定了材料在高溫極端環境下的性能。自20世紀70年代末SiC纖維實現量產以來，連續碳化硅纖維增韌的碳化硅基復合材料( SiCf/SiC CMC)一直是研究熱點。
SiCf/SiC復合材料的組成結構示意圖
氧化鋁基復合陶瓷材料
氧化鋁（Al2O3）陶瓷熔點高，硬度大，絕緣電阻大，化學穩定性好，具有來源廣、成本低的優點，是目前應用最廣、產量最大的陶瓷材料。但Al2O3陶瓷在高溫條件下抗蠕變性差，容易發生蠕變破壞導致構件失效，為彌補這一致命缺陷，可使用晶須增韌、顆粒增韌、相變增韌、纖維增韌等手段進行增強。經過多年發展，將連續纖維引入陶瓷材料中形成陶瓷基復合材料(CMCs)是目前最有效的增韌方法之一。為了使Al2O3基陶瓷材料獲得較好的增韌效果，增韌纖維必須具有較高的彈性系數和良好的相容性。常用增韌纖維有碳纖維、SiC纖維和Al2O3纖維，國外Al2O3纖維的生產及商業應用已經成熟，日本和美國掌握了高強度Al2O3連續纖維合成技術。
氮化硅基復合陶瓷材料
氮化硅（Si3N4）陶瓷因具有良好的抗氧化性、高硬度、高強度以及良好的電學和熱學性能，是最有前途的高溫結構材料之一，被稱為“材料界的全能冠軍”。但Si3N4陶瓷自身的硬脆特性，使其在加工過程中容易形成表面缺陷，極大地降低了Si3N4陶瓷的可靠性。大量研究表明，以Si3N4為基體制備出的復合陶瓷能有效彌補單一Si3N4陶瓷的劣勢。不同燒結工藝制備的Si3N4基復合陶瓷具有不同的斷裂韌性，其中用Si3N4纖維可有效提高陶瓷基體的斷裂韌性。Si3N4纖維拉伸強度和彈性模量分別可達1000MPa和300GPa，熱膨脹系數低，磨損抗力優良，主要用來增強金屬和陶瓷。
精細陶瓷材料在各領域的應用現狀
在高速飛行器中的應用
高速飛行器等戰略武器在現代軍事和航空領域中扮演著至關重要的角色，其性能對于維護國家安全和軍事優勢至關重要。其典型熱環境為高溫、復雜苛刻的熱-機械載荷，現有的高溫合金已無法滿足要求，陶瓷基復合材料應運而生。特別是SiCf/SiC復合陶瓷材料已廣泛應用于航空發動機渦輪葉片、尾噴管調節片和渦輪外環等熱結構部件，其復合材料密度約為高溫合金材料的1/4，減重明顯，且工作溫度可達1400℃，冷卻系統設計大幅簡化，推力增強。國內以國防科技大學、哈爾濱工業大學和中國科學院等為代表的研究較為深入，在關鍵領域成果顯著。
此外，氧化物CMCs（如Al2O3）因其低熱導率和高抗熱震性，被應用于航空發動機燃燒室內外襯。美國加州大學的Zok教授團隊采用溶膠-凝膠浸漬與原位聚合技術，成功制備了以Nextel 720纖維為增強相的多孔莫來石和氧化鋁基陶瓷基復合材料異形件。
采用碳化硅陶瓷基復合材料的燃燒室部件
在輕質裝甲中的應用
輕型的復合裝甲是保持現代裝備生存能力的關鍵。陶瓷纖維和纖維增強陶瓷基復合材料的發展是輕質復合裝甲應用的基礎。目前，使用的主要防護陶瓷材料有B4C、Al2O3、SiC、Si3N4等。作為公認的高性能防彈裝甲材料，SiC大量用于制作防彈衣、端頭帽和陶瓷裝甲系統。近十年來，陶瓷復合裝甲應用逐漸增長，陶瓷材料已經成為裝甲防護材料的主要選擇。
當前軍事裝備中，陶瓷復合材料裝甲在保證防護性能的前提下，成功將裝甲車輛總重量降低15%-20%。通過蜂窩結構和多層復合設計的結構優化，新型裝甲在保持同等防護等級的情況下，較傳統裝甲減重幅度達到15%。在軍用車輛領域，采用陶瓷復合裝甲的輕型戰術車輛整備質量控制在5噸以內，同時具備抵御12.7mm穿甲彈的能力。
主戰坦克配備的陶瓷復合裝甲
在輕兵器中的應用
輕武器是裝備體系的重要組成部分，包括手槍、步槍、機槍等，其作用是通過發射彈丸殺傷或摧毀目標。由于常處于高溫、低溫、濕熱、鹽霧等惡劣環境中，防腐蝕能力尤為關鍵。相較于傳統的涂層材料，陶瓷涂層與輕質金屬的連接結合有廣泛應用需求。
為進一步提高涂層的抗燒蝕能力，自愈合材料應運而生。如SiC在1100℃環境下生成玻璃態氧化硅，能起到密封裂紋的作用。利用此原理制成自愈合材料修復涂層中的裂紋與空隙；為應對海洋的高溫、高鹽、高濕循環沖擊載荷的作用，三元硼化物金屬陶瓷材料得到了廣泛應用。
在身管中的應用
身管是發射類武器的核心組成零件，身管內膛結構包括彈膛、坡膛和線膛，彈膛和線膛由坡膛連接。傳統身管一般由高強度合金鋼制造，隨著發射時膛壓的不斷提高和身管壽命的指標成倍提高，身管承受的壓力和溫度也越來越高。利用陶瓷的高硬度、高強度和高溫化學惰性等特性，可有效減輕身管燒蝕，延長其使用壽命。SiC、Si3N4和 Sialon等是制作20～30 mm口徑身管內襯的理想材料，同時在外部包覆陶瓷纖維可解決陶瓷脆性問題，采用該技術的身管壽命可提高一半，質量減輕最高可達25%，彈丸動能提高20%。同時，在身管內壁噴涂納米陶瓷粉末，改善內壁光潔度，減小內壁磨損，彈丸初速提高可達15%。
在半導體中的應用
精細陶瓷作為新興材料，正在半導體產業中發揮著不可替代的作用。SiC陶瓷具有極高的彈性模量、導熱系數和較低的熱膨脹系數等，并且具有極佳的可拋光性，是制造的光刻機陶瓷部件的首選材料。除此之外，氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化釔等陶瓷材料均可滿足光刻機等集成電路制造關鍵裝備用精密結構件的使用要求，推動了我國集成電路關鍵裝備的獨立自主健康發展。
中國建筑材料科學研究總院制備的光刻機用精密碳化硅結構件
在半導體封裝領域，與較于其他封裝材料，陶瓷具有高絕緣性、高化學惰性、耐腐蝕、導熱性好，以及與硅相近的熱膨脹系數等特點，是綜合性能較好的基片材料。
小結
增韌后的精細陶瓷材料通過不斷地材料改性和技術創新，克服了傳統陶瓷的脆性缺陷，進一步拓寬了其應用范圍。在航空航天、軍事裝備、輕兵器防護和半導體制造等領域展現出廣闊的應用前景和重要的戰略價值。未來，隨著對精細陶瓷材料組織和性能的深入研究，以及制備工藝的不斷優化，精細陶瓷有望在更多高端技術領域發揮關鍵作用。
來源：
鄧振軍等：典型精細陶瓷的組織性能與應用現狀分析
王衍飛：SiCf/SiC陶瓷基復合材料制備技術研究進展
張月林等：氧化鋁陶瓷增韌的研究進展
華東裝備信息技術研究院 ：陶瓷基復合材料在航空領域的應用研究
無機非金屬材料科學：陶瓷材料在武器裝備中的應用
解放軍報
（中國粉體網編輯整理/空青）
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