碳/陶材料—理想的高温结构材料、摩擦材料以及深冷材料

发布日期:2021-06-22 09:49

 碳/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织物作为增强相,以石英、长石、碳化硅等陶瓷作为基体相的一类复合材料的总称。
碳/陶材料不仅具有高性能陶瓷的高强度、高模量、高硬度、耐冲击、抗氧化、耐高温、耐酸碱和所有化学物质腐蚀、热膨胀系数小、比重轻等优点,同时还完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能单一等缺点,是的理想的高温结构材料、摩擦材料以及深冷材料,是制造机械密封、轴承、模具等原件的优良材料,目前被广泛应用在航空航天、汽车、冶金、半导体和建筑工业等多个领域。
碳/陶复合材料的应用
兼有碳和陶瓷的双重优点,可作为发热元件、电极、热交换器、坩埚、轴承以及机械密封和热压模具等材料,应用在机械、电子、化学、冶金及航空航天领域。其具体应用如下:
1、刹车材料之王
目前广泛用于高速列车、汽车和飞机上的刹车材料主要是粉末冶金和C/C复合材料。然而,粉末冶金刹车材料存在高温容易粘结、摩擦性能易衰退、高温强度下降显著、抗热震能力差、使用寿命短等缺点;而C/C刹车材料存在静态和湿态摩擦系数低(湿态相对干态衰减约50%)、热库体积大、生产周期长(约1200h)及生产成本高等问题,制约了其进一步发展及应用。
高性能刹车材料的发展史
碳/陶刹车材料是近年来继粉末冶金材料和C/C复合材料之后发展的一种高性能刹车材料。与传统金属及半金属刹车材料相比,具有密度低、强度高、摩擦性能稳定、摩擦量小、制动比大、耐高温、使用寿命长等优点。与C/C复合材料相比,由于引入了适量SiC陶瓷硬质材料作基体,材料的抗氧化性和摩擦系数得以提高,而且摩擦性能对外界环境介质(霉菌和油污、潮湿等)不敏感。因此,C/SiC刹车材料在高速列车、汽车、飞机等领域具广阔应用前景。
三大高性能刹车材料的对比
2、超高温抗氧化热防护材料—航空航天的关键技术
高超声速飞行器特有的“长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行”工作条件,使得其对机翼前缘、鼻锥和燃烧室等关键部件对热防护要求极其苛刻,因而超高温抗氧化热防护结构材料成为制约高超声速飞行器的主要关键技术之一。
目前常用的三类高温材料均难以满足使用要求。C/C复合材料高温下仍具有高强度、高模量、良好的断裂韧性和耐磨性能,是理想的高温工程结构材料。但其抗氧化性能差,在370℃以上氧化环境中就会发生氧化。现有难熔金属材料使用温度低、且高温下强度急剧下降。陶瓷材料熔点高、抗氧化性能好,但脆性大,难以制作复杂热结构部件。
高温难熔材料的熔点
采用陶瓷材料对C/C复合材料进行改性,可提高C/C复合材料的抗氧化性能,陶瓷改性后的C/C复合材料的抗氧化温度主要由改性陶瓷材料自身的熔点及其氧化物的熔点决定。SiC、ZrC、ZrB2、HfC、HfB2等陶瓷的熔点高、密度低,是C/C复合材料2300K以上高温抗氧化改性的理想选择,可解决困扰高超声速飞行器等新型武器技术发展面临的问题。
由于SiC与C/C复合材料的热胀系数较为匹配,成为C/C复合材料基体抗氧化改性常用的陶瓷材料,得到的复合材料称为C/C-SiC碳陶复合材料。材料中SiC基体的主要作用是氧化形成致密的SiO2基玻璃质层,可有效保护碳纤维不被氧化。同时,SiC陶瓷基体的制备技术成熟,原材料来源广泛、成本低,因而得到广泛应用。
3、密封材料
石墨材料具有耐高温、抗腐蚀和自润滑等诸多特性,因而在流体密封领域被广泛应用,但机械强度较低和高温易氧化,使其应用受到一定限制。在航天、航空和其它高温工程中,用于机械密封的材料往往要承受高转速、高比压和高摩擦速率以及由此而引起的高摩擦热,摩擦面的温度值可以高达700℃~1000℃。普通石墨材料难适应如此苛刻的工况条件。
为了研制能满足航天、航空及现代高温技术要求流体机械密封的材料,多年来国内外学者进行了大量的探索性研究,并取得了显著效果。其中以SiC、B4C、CrC等陶瓷粒子弥散增强石墨材料,对提高复合材料的机械强度、耐磨性和耐高温空气氧化能力都有效果。其中BN具有与B4C类似的耐高温(空气)氧化性,可以降低碳和氧的反应动力,具有与石墨类似的六角形晶体结构,也具有优良的自润滑性能。且自润滑性能不像石墨材料那样依赖于气、液介质的存在,能适应高温干磨工况条件。另外,相似的六角形晶体结构BN与石墨复合材料具有良好的结构相容性,并使此类复合材料兼具各自的优点。
4、绝缘体秒变导电材料
陶瓷材料中,除ZrO2等在高温条件下具有导电功能外,其它陶瓷如Al2O3、MgO、SiO2、CaO等都是电的绝缘体,这些材料的应用受到限制。若能通过某种工艺,使得这些材料能够导电,外加陶瓷材料本身的优异特性,那么陶瓷材料的应用范围将会进一步扩大。碳/陶复合导电材料就是在这种背景下开发出的一种新型无机非金属材料。它在电火花电极材料、工业加热、学校烘干系统、家庭取暖等领域得到广泛的应用。
陶瓷基料主要包括透辉石、石英和长石,导电填料主要包括碳系导电填料、金属导电填料和金属化合物导电填料。碳系导电填料主要包括碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等。
5、扩散焊发热体,加热方式感应加热、电阻加热,长期使用温度600-800℃,导热导电性好,硬度高,与石墨材质比每模生产效率提升一倍以上,使用寿命提升2倍以上。
6、电子元器件烧结模具,长期使用温度600℃,抗氧化性好,不掉粉,不污染电子元件,导热性好、尺寸稳定、热稳定性及化学稳定性好。
7、热弯玻璃模具,粒径3μm以下,组织致密均匀,导热导电性好,热膨胀性系数小,长期使用温度600℃,抗氧化性好,不掉粉,易于加工。
碳/陶复合材料的制备方法
在C/C-SiC炭陶复合材料的制备过程中,一般先采用化学气相沉积法(CVD)或树脂浸渍/裂解法等较为成熟的工艺制备出具有一定孔隙率的C/C胚体,再通过其他方法引入SiC基体取代部分C基体。SiC基体的引入方法通常有四种:
(1)气相法,如化学气相渗透法(CVI);
(2)液相法,如先驱体浸渍裂解法(PIP)和反应熔体浸渗法(RMI);
(3)陶瓷化法,如泥浆浸渍-热压烧结工艺;
(4)组合工艺,如CVI+PIP、CVI+RMI、PIP+RMI等。

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