金屬陶瓷

根據(jù)各組成相所占百分比不同，金屬陶瓷分為以陶瓷為基質(zhì)和以金屬為基質(zhì)兩類。 金屬基金屬陶瓷通常具有高溫強(qiáng)度高、密度小、易加工、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，因此常用于制造飛機(jī)和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、化工機(jī)械零件等。陶瓷基金屬陶瓷主要可以細(xì)分為以下幾種類型：

1、氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)葹榛w，與金屬鎢、鉻或鈷復(fù)合而成，具有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可用作導(dǎo)彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金屬切削刀具。

2、碳化物基金屬陶瓷。以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢等為基體，與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬?gòu)?fù)合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點(diǎn)，用于制造切削刀具 、高溫軸承、密封環(huán)、撿絲模套及透平葉片。

3、氮化物基金屬陶瓷。以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鉭為基體，具有超硬性、抗熱振性和良好的高溫蠕變性，應(yīng)用較少。

4、硼化物基金屬陶瓷。以硼化鈦、硼化鉭、硼化釩、硼化鉻、硼化鋯、硼化鎢、硼化鉬、硼化鈮、硼化鉿等為基體，與部分金屬材料復(fù)合而成。

5、硅化物基金屬陶瓷。以硅化錳、硅化鐵、硅化鈷、硅化鎳、硅化鈦、硅化鋯、硅化鈮、硅化釩、硅化鈮、硅化鉭、硅化鉬、硅化鎢、硅化鋇等為基體，與部分或微量金屬材料復(fù)合而成。其中硅化鉬金屬陶瓷在工業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。

WC-Co基金屬陶瓷作為研究最早的金屬陶瓷，由于具有很高的硬度(HRC 80~92)，極高的抗壓強(qiáng)度6000MPa (600kg.N/mm)，已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。但是由于W和Co資源短缺，促使了無(wú)鎢金屬陶瓷的研制與開(kāi)發(fā)，迄今已歷經(jīng)三代：第一代是“二戰(zhàn)”期間，德國(guó)以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷；第二代是20世紀(jì)60年代美國(guó)福特汽車公司添加Mo到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其他碳化物的潤(rùn)濕性，從而提高材料的韌性；第三代金屬陶瓷則將氮化物引入合金的硬質(zhì)相，改單一相為復(fù)合相。又通過(guò)添加Co相和其他元素改善了粘結(jié)相。金屬陶瓷研制的另一個(gè)新方向是硼化物基金屬陶瓷。由于硼化物陶瓷具有很高的硬度、熔點(diǎn)和優(yōu)良的導(dǎo)電性，耐腐蝕性，從而使硼化物基金屬陶瓷成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。

為了滿足電器對(duì)觸頭材料提出的各種復(fù)雜的，甚至是矛盾的要求，發(fā)展了金屬陶瓷材料。

它是兩相金屬的機(jī)械混合物，每相金屬各相保留原有的物理性能。兩相金屬中一相為難熔相，它的硬度高、熔點(diǎn)高，在高溫和沖擊作用下不變形，在電弧作用下不熔化，因此這相金屬在材料中起骨架作用。這類金屬有鎢、鉬、金屬氧化物等。另一相金屬為載流相，它主要起導(dǎo)電和導(dǎo)熱作用。這類金屬銀、銅等。載流相金屬熔點(diǎn)都比較低，在電弧高溫作用下熔成液體，保留在難熔相金屬骨架構(gòu)成的空隙中，防止了熔化金屬的大量噴濺，使觸頭電磨損大大減小。以下介紹幾種常用的金屬陶瓷材料：

（1）銀-氧化鎘 這種材料具有良好的耐電磨損、抗熔焊和接觸電阻低而穩(wěn)定的特點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于中等功率的電器中。這種材料具有這些優(yōu)良性能的原因是：

1）在電弧作用下氧化鎘分解，從固態(tài)升華成氣態(tài)（分解溫度約900℃），產(chǎn)生劇烈蒸發(fā)，起著吹弧作用，并清潔觸頭表面；

2）氧化鎘分解時(shí)吸收大量的熱，有利于電弧的冷卻與熄滅；

3）彌散的氧化鎘微粒能增加熔融材料的粘度，減少金屬的飛濺損耗；

4）鎘蒸汽一部分重新與氧結(jié)合形成固態(tài)氧化鎘，沉積在觸頭表面，組織觸頭的焊接。

氧化鎘含量在12%~15%時(shí)可以得到最佳性能。如果在銀-氧化鎘中添加一些微量元素，例如硅、鋁、鈣等能進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高耐電磨損性能。

（2）銀-鎢 這種材料具有銀、鎢各自的優(yōu)點(diǎn)。隨著鎢含量的增加，耐電弧磨損和抗熔焊性能提高，但導(dǎo)電性下降。低壓開(kāi)關(guān)常用含鎢30%～40%的材料，高壓開(kāi)關(guān)用含鎢60%～80%的材料。

銀-鎢的缺點(diǎn)是接觸電阻隨觸頭開(kāi)閉次數(shù)的增加而增大，嚴(yán)重者可達(dá)到初始值的十倍以上，因在分?jǐn)噙^(guò)程中，觸頭表面會(huì)產(chǎn)生三氧化鎢（WO₃)或鎢酸銀（Ag₂WO₄)膜，這種膜不導(dǎo)電，使接觸電阻劇增。

（3）銅-鎢 這種材料性能與銀-鎢相似，但比銀-鎢更容易氧化，形成鎢酸銅（CuWO₄)膜，使接觸電阻劇增。它不宜作空氣開(kāi)關(guān)觸頭，但可以作油開(kāi)關(guān)觸頭。

（4）銀-石墨 它的導(dǎo)電性好，接觸電阻小，抗熔焊性能很好，缺點(diǎn)是電磨損大。一般石墨含量不超過(guò)5%。

（5）銀-鐵 有好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐電磨損等性能，用于中、小電流接觸器中比純銀觸頭的電壽命成倍提高。主要缺點(diǎn)是在大氣中易生銹斑。

金屬陶瓷為了使陶瓷既可以耐高溫又不容易破碎，人們?cè)谥谱魈沾傻恼惩晾锛恿诵┙饘俜郏虼酥瞥闪私饘偬沾?。金屬基金屬陶瓷是在金屬基體中加入氧化物細(xì)粉制得 ，又稱彌散增強(qiáng)材料 。主要有燒結(jié)鋁(鋁-氧化鋁) 、燒結(jié)鈹（鈹-氧化鈹）、TD鎳（鎳-氧化釷）等。由一種或幾種陶瓷相與金屬相或合金所組成的復(fù)合材料。廣義的金屬陶瓷還包括難熔化合物合金、硬質(zhì)合金、金屬粘結(jié)的金剛石工具材料。金屬陶瓷中的陶瓷相是具有高熔點(diǎn) 、高硬度的氧化物或難熔化合物，金屬相主要是過(guò)渡元素(鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合金。

金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，它密度小、硬度高、耐磨、導(dǎo)熱性好，不會(huì)因?yàn)轶E冷或驟熱而脆裂。另外，在金屬表面涂一層氣密性好、熔點(diǎn)高、傳熱性能很差的陶瓷涂層，也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕。金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導(dǎo)熱性和良好的熱穩(wěn)定性，又具有陶瓷的耐高溫 、耐腐蝕和耐磨損等特性。金屬陶瓷廣泛地應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈、超音速飛機(jī)的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。

金屬陶瓷是由陶瓷硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成的結(jié)構(gòu)材料。其通過(guò)熱噴涂或激光熔敷，氣相沉積，濕法沉積等涂層技術(shù)形成的涂層為金屬陶瓷涂層。

金屬陶瓷涂層的應(yīng)用

金屬陶瓷涂層應(yīng)用在水輪機(jī)密封轉(zhuǎn)動(dòng)支架上，可以提高轉(zhuǎn)動(dòng)支架密封表面的耐磨損能力,改善密封效果、降低維護(hù)費(fèi)用,減少停機(jī)維修時(shí)間。在水電行業(yè)具有應(yīng)用推廣價(jià)值。 2100433B

金屬陶瓷核燃料金屬陶瓷核燃料輻照理論

金屬陶瓷核燃料，就是要把裂變產(chǎn)物損傷限制在UO₂顆粒附近基體內(nèi)，從而使它因輻照產(chǎn)生的性能變化很小。金屬陶瓷中的彌散狀態(tài)，則由UO₂顆粒尺寸及其在彌散體中的體積含量而確定下來(lái)。一般假設(shè)UO₂顆粒是等直徑的球形，并且均勻分布在金屬基體中，其排列方式有兩種：一種是簡(jiǎn)單立方排列；一種是密集堆疊排列，即正四面體排列。前者排列松散，但顆粒間距緊湊，它對(duì)于稀疏的燃料顆粒排列是適當(dāng)?shù)哪Ｐ?；后者排列緊密，但顆粒間距較大。

從金屬陶瓷燃料輻照理論出發(fā)，在整個(gè)燃料使用壽期內(nèi)，使包圍UO₂顆粒的未受裂變產(chǎn)物損傷的金屬基體始終形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。這就要求數(shù)據(jù)基體的體積份額占優(yōu)勢(shì)以及UO₂顆粒尺寸應(yīng)比裂變碎片在UO₂中的反沖行程大得多，即UO₂顆粒間距要大到使受到裂變產(chǎn)物損傷的基體區(qū)域既不相碰，更不重迭。在滿足這一要求的前提下，往往可以允許UO₂顆粒之間存在低濃度的裂變產(chǎn)物。因?yàn)檫@樣來(lái)修正關(guān)于未受損傷的基體金屬形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的概念，即所謂連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，不是以是否存在裂變產(chǎn)物為依據(jù)，而是以裂變產(chǎn)物對(duì)基體金屬的物理和機(jī)械性能的有害影響在允許程度以下為依據(jù)，即允許有較小的顆粒間距和較大的燃料相體積份額。同時(shí)，如果受裂變產(chǎn)物損傷的基體區(qū)域中裂變產(chǎn)物含量過(guò)高的話，該損傷區(qū)將發(fā)生局部破壞，因此裂變產(chǎn)物從UO₂顆粒中逸出的份額應(yīng)低于10%。還應(yīng)把單位體積基體中的平均裂變產(chǎn)物濃度作為金屬陶瓷核燃料性能變化的另一個(gè)適當(dāng)度量，這個(gè)觀點(diǎn)是認(rèn)為基體局部損傷不受限制。

綜上所述，從金屬陶瓷核燃料輻照理論出發(fā)，在燃料相含量和燃料顆粒尺寸設(shè)計(jì)中，應(yīng)同時(shí)滿足顆粒排列、裂變產(chǎn)物濃度，單位體積基體中的平均裂變產(chǎn)物濃度等要求。

金屬陶瓷核燃料金屬陶瓷核燃料壓力加工要求

在UO₂相含量和顆粒尺寸設(shè)計(jì)中，除依據(jù)金屬陶瓷輻照理論外，還要考慮壓力加工中的一些因素：

（1） 首先，UO₂顆粒愈小，愈容易做到均勻分散，通常要求顆粒尺寸為100～200 μm；

（2） 其次，由于這類燃料元件由熱軋加工做成，熱軋中，為保證燃料芯體有良好的流動(dòng)性，防止UO₂顆粒嵌入包殼，又要求UO₂顆粒直徑上限滿足80～100 μm；

（3） UO₂顆粒尺寸很大或很小時(shí)都會(huì)使燃料芯體強(qiáng)度急劇下降，為此宜取50～100 μm；

（4） 壓力加工要求燃料芯體及其包殼材料間的流動(dòng)性能差別盡可能小，除使燃料芯體的基體金屬與包殼材料相同外（為使其界面冶金結(jié)合），還要求燃料相含量不能太高。盡管國(guó)外已做出UO₂相體積含量達(dá)50%的UO₂-不銹鋼金屬陶瓷板元件，但在幾個(gè)核反應(yīng)堆中正式使用的UO₂-不銹鋼金屬陶瓷板，其UO₂相質(zhì)量含量均在30%（相當(dāng)于24.5%體積含量）之內(nèi)； 相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為，高于40%體積含量的金屬陶瓷核燃料難度較大。

綜上所述，從壓力加工方面考慮，UO₂顆粒直徑宜取為100 μm以下。