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“高精尖专属”陶瓷基复合材料

来源:雷火官方竞技网站 作者:雷火官方官网平台 发布日期:2022-09-13

  在现代材料界,复合材料是一个热点话题。科学技术的发展进步离不开各类复合材料的支撑。复合材料的研究深度和应用广度及其发展的速度和规模,已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

  复合材料是两种以上的材料根据使用需求而混合在一起的材料。复合材料的最大特点是:宏观上看是均质材料,微观上看是非均质材料,分子间的作用力来源于结合方式,可以通过设计,使各组分的优势得到更大的发挥。在很多领域,复合材料正在逐步取代传统材料,在国民经济的各个不同领域发挥着重要的作用。

  陶瓷基复合材料是陶瓷(或陶瓷纤维)基体与各种纤维复合的一类材料。陶瓷基体一般为高温合成陶瓷材料,其化学组成相对简单,颗粒表面的一致性好,便于进行处理并得到表面包覆一致性的更好材料。现代高温合成陶瓷材料颗粒,一般有非晶态、晶态和晶须3种形态。这些先进陶瓷粉体具有耐高温、强度和刚度高、质量轻、抗腐蚀等优异性能;而其致命的弱点是脆性较大,处于应力状态时会产生裂纹,甚至断裂,导致材料失效。采用高强度、高弹性的纤维与基体复合,是提高陶瓷韧性和可靠性的有效方法。纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

  陶瓷基复合材料根据成分可以分为氧化物陶瓷基复合材料和非氧化物陶瓷基复合材料两大类。氧化物陶瓷基包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化锰等;非氧化物陶瓷基包括氮化硅、氮化硼、碳化硅、硫化钼等。在应用中,最重要的技术是对陶瓷粉体材料进行改性与包覆。改性与包覆工艺主要解决两个问题:一是超细粉体或晶须会出现严重的团聚,团聚的粉体与所复合的材料难以进行有效链接;二是超细粉体或晶须与所复合的材料亲和性不好。两者在相互混合时,界面出现间隙且处于分离状态不能相容。上述两个问题如能得到解决,所生产的复合材料就能获得比较高的性能。

  在陶瓷基复合材料中,先进陶瓷成分的加入,使其应用范围超越了很多常规材料,并展现出更加优异的综合性能。

  在航天工业中,陶瓷基复合材料可用于“烧蚀材料”。当宇宙航天器完成任务返回地球时,稠密的大气层是它的必经之地。高速的飞行速度使航天器和空气之间产生强烈的摩擦,由此而放出的热量瞬间可高达8000~10000℃,“烧蚀材料”此时吸收大量的热烧掉自己的一部分,同时使周围的温度降低以保证航天器本体安然无恙。

  在现代航空工业中,陶瓷基复合材料以密度小、强度高、易成型、价格合理的综合性能占领了其工业领域的巨大空间。据了解,美国生产的B-2隐身轰炸机,其机体的结构材料几乎全是复合材料。

  在新能源领域,风力发电机叶片是最基础和最关键的部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。陶瓷基复合材料的工艺性好、成本低、密度小、维护费用低、耐雷击、耐腐蚀、耐紫外线、力学性能优异,使其成为大型风力发电机叶片的主导产品。

  汽车轻量化是新能源汽车的一个重点发展方向。陶瓷基复合材料的应用,使降低原材料成本、提高使用效率事半功倍。国外曾有学者研究:一辆整备质量1550kg的新能源电动车,车载动力电池450kg,一次充电续驶里程为186km。利用碳纤维复合材料使其轻量化后,整车减重至1011kg,减重幅度达34.8%,同样充一次电,续驶里程增至275.5km,增加了89.5km,提高了48.1%。如果维持一次充电续驶里程186km不变,则动力电池仅需250kg就能达到目标,电池质量可减少200kg,减少了44.4%,相应的电池成本也将下降44%,这是一个非常了不起的降本绩效。更令人兴奋的是,研究发现,减重后整备质量为805kg的新能源电动车(包括250kg电池),由于自重的降低,导致能耗大幅降低,其电池能量密度只要达到250Wh/kg,充一次电就能续驶里程450km,达到传统汽油发动机车辆加满汽油后能够行驶的里程数,这使得高性能电池的研究难度大大降低。(张宏毅)

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