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先进陶瓷材料是如何提高国家的国防实力的?


来源:中国粉体网   cnpowder

[导读]  先进陶瓷作为新材料的一个重要组成部分,在国民经济中发挥着愈来愈重的作用,那么它又为国防实力的提高作出了哪些贡献呢?

“兵者,国之大事,死生之地,存亡之道,不可不察也。”由此可见,一个国家的强大离不开其国防和军事工业的发展。先进陶瓷作为新材料的一个重要组成部分,在国民经济中发挥着愈来愈重的作用,那么它又为国防实力的提高作出了哪些贡献呢?


先进陶瓷应用于军工


陶瓷材料拥有高比刚度、高比强度和在许多环境下的化学惰性,同时,因其相对于金属的低密度、高硬度和高抗压强度,使其在装甲系统上的应用十分具有吸引力,已成为一种广泛应用于防弹衣、车辆等装备的防护装甲。



碳化硅、碳化硼用于防弹装甲材料


碳化硼的密度在几种常用的装甲陶瓷中最低,加上弹性模量较高,使其成为军事装甲和空间领域材料方面的良好选择,但其主要问题是价格昂贵、脆性较大、限制了其作为单相防护装甲的广泛应用。碳化硅陶瓷在装甲防护领域具有广阔的发展空间,在单兵装备和特种车辆等领域的应用趋于多元化。


透明陶瓷作为防护材料


现代战争对装甲系统的要求越来越高不仅要求能够实现全方位的防护,还要求不能妨碍士兵们的行动能力,而化“被动”为“主动”,发展能预先识别目标,并利用诱饵触发和物理摧毁方式破坏来袭武器的“主动装甲”,成为作战中的一大优势。




以氮氧化铝(AlON)和镁铝尖晶石(MgAl2O4)为代表的透明陶瓷已应用于装甲防护领域,既能保护人体又能随时观察敌情。透明陶瓷因高的强度和硬度,已成为可替代防弹玻璃的具有发展潜力的防护材料,如面罩、导弹探测窗口、地面作战车辆保护窗、飞机的挡风玻璃和降落窗等,主要有单晶氧化铝(蓝宝石)、氮氧化铝和镁铝尖晶石。


先进陶瓷应用于航空航天


随着科学技术的发展,航空航天工业对材料的要求越来越严格,材料往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,有的则受到重量和容纳空间的限制,需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能,有的需要在大气层中或外层空间长期运行,不可能停机检查或更换零件,因而要有极高的可靠性和质量保证。




先进陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了其特殊性质和功能,如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等,在航空航天工业上占据重要位置。


陶瓷涂层


高性能陶瓷涂层是在传统陶瓷材料的基础上发展起来的新型复合材料,它既保持了传统陶瓷材料的耐高温、抗磨损、耐腐蚀的优点,同时保持了基体材料的结构强度,由于陶瓷涂层的厚度通常都在一毫米之内,大大地减少了零件的消极重量,其抗热冲击性能优于整体陶瓷。


陶瓷基复合材料


陶瓷基复合材料比高温合金的密度小,热膨胀系数小,抗腐蚀性好,理论最高温度可达1650℃,因而被认为是今后先进航空发动机部件的候选材料。且陶瓷基部件不需要气体冷却省去或简化了冷却系统零件,可使发动机进一步减重。




超高温陶瓷材料


超高温陶瓷材料可以作为航天飞机的阻热材料,此外超高温陶瓷在航空航天领域的应用还包括作为超音速飞机的耐热保护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。飞机在超音速飞行时会与空气发生摩擦,并产生很高的温度,超高温陶瓷具有良好的耐热能力,可以避免高温对飞机内部结构产生破坏。火箭要克服地球引力获得高速飞行,必须具有强大的推进能力,所以在燃料喷嘴部位必然存在极高的燃烧温度,超高温陶瓷可以满足这一要求。


氧化铝陶瓷


陶瓷结构件是冲击片雷管的关键部件,由于其表面与爆炸箔相连,所以陶瓷结构件材料的性能、加工质量以及电极材料选择和焊接质量将直接影响到雷管的发火可靠性。目前,可选择的材料主要有人造蓝宝石、石英玻璃和氧化铝陶瓷。




氧化铝陶瓷主要有95氧化铝陶瓷和99氧化铝陶瓷两种,95氧化铝陶瓷由于含玻璃相,它的强度低,而且表面光洁度差,不能满足镀膜要求;细晶粒、高致密、均匀结构的99氧化铝陶瓷具备优异的力学和电学性能以及可以满足高起爆能量和低表面粗糙度要求,美国、英国、俄罗斯等国家都将其作为冲击片雷管用陶瓷结构件的首选材料。另外,石英、氧化铝和耐高温玻璃是当前用于作战导弹天线罩的代表材料。


先进陶瓷应用于核工业


陶瓷具有强度大、刚度好、耐腐蚀、化学稳定性好的特点,此外,它还具有耐高温、抗辐射的性能,一些特定的陶瓷还有低活性、吸收中子的特点,这些性能都有助于其在高温高辐射的核工业环境下应用。




碳化硼陶瓷制作吸收棒


为了裂变反应的速率在一个预定的水平上,需要用控制棒和安全棒(总称为吸收棒)对反应速率进行调节。


碳化硼拥有良好的吸收中子性能,化学性能稳定,且由于是低原子序数材料,其吸收中子后不会释放出放射性射线,而是释放氦气。碳化硼熔点高,强度高,抗腐蚀性能好。碳化硼材料可应用到反应堆控制棒的芯体材料,也可以将碳化硼或碳化硼的复合材料应用到辐射防护材料。


氧化铍材料作为核反应堆慢化剂


目前国际上常用的核反应堆慢化剂包括重水、石墨、铍、氧化铍等,其中作为陶瓷材料的氧化铍被考虑作为未来的一种慢催化剂。


碳化硅陶瓷制作第一壁结构材料


陶瓷材料在第一壁结构材料中的应用,主要是指碳化硅纤维增强的碳化硅母体复合材料。它具有良好的抗腐蚀与抗肿胀性能;作为第一壁结构材料在高温下仍具有足够高的强度,可以运行于800℃的高温下,允许冷却剂达到高温,从而提高能源系统的热效率;碳化硅本身就为低中子活化材料,对中子辐照感生放射性低,作为第一壁便于维护和进行放射性处理。


总之,随着先进陶瓷材料脆性的克服及其潜在性能的开发,先进陶瓷材料必将为一个国家国防实力的提高及军工的发展作出重要的贡献。

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