工程陶瓷

在空間技術(shù)領(lǐng)域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和溫度急變、強(qiáng)度高、重量輕且長(zhǎng)壽的結(jié)構(gòu)材料和防護(hù)材料，在這方面，結(jié)構(gòu)陶瓷占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。從第一艘宇宙飛船即開(kāi)始使用高溫與低溫的隔熱瓦，碳-石英復(fù)合燒蝕材料已成功地應(yīng)用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。未來(lái)空間技術(shù)的發(fā)展將更加依賴于新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，在這方面結(jié)構(gòu)陶瓷尤其是陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。

高新技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)制勝的法寶。在軍事工業(yè)的發(fā)展方面，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷占有舉足輕重的作用。例如先進(jìn)的亞音速飛機(jī)，其成敗就取決于具有高韌性和高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷和纖維補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。

"氮化硅陶瓷"是以硅粉為原料，分別采用反應(yīng)燒結(jié)和熱壓兩種工藝方法制造而成。第一種方法是，先把硅粉制作所需生坯，然后在1200℃的高溫中讓其與氮?dú)獬醪降?。初步氮化了的毛坯?jīng)過(guò)修制加工后，再放在1350-1450℃的高溫下進(jìn)行第二次氮化，從而制出了氮化硅陶瓷。這種方法叫做反應(yīng)燒結(jié)氮化硅。用這一方法制出的陶瓷器件有個(gè)特點(diǎn)，即不會(huì)收縮，精度很高。第二種方法是先把硅粉氮化做成氮化硅粉末，再加入少量的氧化鎂，置于模具里，在1700-1800℃的高溫下施加二、三百個(gè)大氣壓力熱壓而成。后者是氣孔率接近于零的致密陶瓷，前者則含有較多氣孔。

陶瓷工作表面耐磨性是錳鋼的100倍以上，高鉻鑄鐵的20倍以上;比耐磨橡膠高幾倍至幾十倍以上。陶瓷金屬結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到300kg/㎝2使用溫度可達(dá)500℃。 使用耐磨陶瓷制造的設(shè)備，使用壽命可提高五倍以上，性能價(jià)格比可提高3倍以上。

1. 硬度大，一般硬度大于HRA80以上，最高可達(dá)到92以上;

2. 耐磨性能極好:是普通碳鋼的至少200以上，高鉻鑄鐵的10倍以上，

3. 重量輕:氧化鋁比重一般只有3.6左右，碳化硅為2.7左右，氧化鋯為6左右

4. 耐熱性能好:不同耐磨陶瓷的耐熱性不盡相同，但用于耐顆粒沖刷場(chǎng)合，耐熱性沒(méi)有任何問(wèn)題。

工程陶瓷幾乎具備了現(xiàn)代陶瓷家族中的一切長(zhǎng)處，它們的強(qiáng)度都很高，特別是熱壓氮化硅，室溫抗彎強(qiáng)度一般都在8000~10000公斤/厘米2的范圍內(nèi)。如果添加入量氧化釔和氧化鋁的熱壓氮化硅，室溫抗彎強(qiáng)度竟可達(dá)15000公斤/厘米2，使陶瓷材料的強(qiáng)度越過(guò)了一萬(wàn)公斤的大關(guān)，這在陶瓷材料中可以說(shuō)是名列前茅了。它的硬度也很高，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，受熱后不熔融成液體，而一直到1900℃方才分解為硅和氮。同時(shí)，耐冷熱急變的能力也很好，把它們從室溫突然加熱到千度以上的高溫，再突然扔到水里也不決不會(huì)開(kāi)裂，為此，最適宜用來(lái)制造高溫燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，高溫坩堝等。由于它硬度很高，用它做成切削金屬的刀具，即使在快速摩擦而產(chǎn)生高熱的情況下也不會(huì)軟化、氧化，因此很適用于高速切削和切削諸如炮筒、剎車筒之類的硬質(zhì)鋼件。它能做金屬不能勝任的事，用氮化硅陶瓷制作燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片有廣泛的用途。因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)的動(dòng)力機(jī)械，噴氣式飛機(jī)、火力發(fā)電站、機(jī)車和載重汽車等都要用到它。

工程陶瓷又有極其優(yōu)良的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕的本領(lǐng)，是制造各種易腐蝕部件的好材料。它能耐幾乎所有的無(wú)機(jī)酸(氫氟酸除外)和30%以下的燒堿溶液。它也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕。它還可以耐很多熔融的有色金屬的侵蝕，特別是鋁液。鋁液對(duì)氮化硅是不潤(rùn)濕的，所以用它做成接觸鋁液的結(jié)構(gòu)部件不會(huì)有玷污之虞。

氮化硅陶瓷還是一種很好的電絕緣材料，它的電絕緣性能可以和氧化鋁陶瓷相比。它還有透微波的性能，可以用作雷達(dá)天線罩。它的介電性能隨溫度的變化甚小，在高溫下至少可用到550℃。它的抗熱震性能在各類陶瓷中是比較優(yōu)越的，這使它有可能在六個(gè)馬赫(即六倍于音速)，甚至于可在七個(gè)馬赫的飛行速度下使用。

工程陶瓷及其衍生物陶瓷本領(lǐng)高強(qiáng)，素被譽(yù)為"陶瓷之王"的氧化鋁陶瓷也不及它，難怪人們贊美工程陶瓷(氮化硅陶瓷)為陶瓷家族中的"全能冠軍"。

1、試驗(yàn)方法

離散磨料研磨在行星式雙面研磨機(jī) 上進(jìn)行 。上、下研磨盤材質(zhì)有鑄鐵、紫銅、錫鉛臺(tái)金、起絨皮革等。為了提高研磨效率，在金屬研磨盤上加工出螺紋或矩形溝槽。其運(yùn)動(dòng)速度可變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，通過(guò)控制減壓閌的氣壓來(lái)調(diào)節(jié)氣缸輸出力( 即研磨壓力 ) 的大小。所用的金剛石磨料有W28、W14、W7、W3、WI 微粉。固結(jié)磨料研磨是在改進(jìn)的單面研磨機(jī)上進(jìn)行。工件用天蠟粘在磨盤表面，研磨片用粘結(jié)劑粘在可繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的行星輪上， 通過(guò)控制氣缸壓 力來(lái)調(diào)節(jié)研磨壓力。磨盤的轉(zhuǎn)速可變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，金剛石研磨片的粒度有:W28、W14、W7、W3、Wl ，結(jié)合劑有青銅結(jié)臺(tái)卉、樹脂結(jié)合劑、濃度有:7 5 %、 1 0 0%、1 5 0%。在研磨前后， 用超聲波清洗機(jī)清洗工件。在精天平上稱出研磨前后的重量、用精密測(cè)微儀測(cè)量件和研磨片的厚度尺寸變化。 測(cè)量研磨前后的工表面租髓度( J I I )，統(tǒng)計(jì)研磨中的不良品率。

2、試驗(yàn)結(jié)果機(jī)理分析

磨削比( G ) 、研磨量( O ) 影響越大，研磨后工件表面粗糙度值越大， 磨料滾動(dòng)嵌工件并切削的能力越強(qiáng)。研磨量也越大，而過(guò)細(xì)的顆粒在研磨中不起作用。放在研磨中( 尤其在精研磨中) 選用的金剛石散粉三維尺寸要盡量均勻本試驗(yàn)中選用的是杜邦公司生產(chǎn)的聚晶金剛石粉， 聚晶金剛石粉比單晶金剛石微粉更接近于球形， 研磨效果較好。對(duì)固結(jié)磨料研磨還能看出:粗糙度的改善是以降低研磨片的磨削比為代價(jià)， 而且磨削比降低的幅度要比表面粗糙度改善的幅度大得多。因此，在表面糙度能滿足的前提下，盡可能選用粗的微粉或采取先粗研磨后精研磨，以解決磨料消耗和工件最終表面質(zhì)量的矛盾。