距博览会开幕
还有
行业新闻 当前位置:首页 » 行业新闻 » 军工新材料之特种陶瓷材料在军工领域的应用
军工新材料之特种陶瓷材料在军工领域的应用
时间:2023-05-16  

图片

军工新材料包括高温合金、碳纤维和特种陶瓷材料。

其中,特种陶瓷材料和常规材料相比,具有巨大的优势:其密度只有高温金属合金的1/4~1/3,强度大、耐磨,具有良好的耐高温、抗高温蠕变性能,在航空、军事和工业领域都可以得到应用,尤其在航空航天发动机的热端部件上具有优势。
1)航空发动机领域:是发展高推重比航空发动机理想材料,有望取代高温合金;
2)航天领域:可用于火箭发动机热结构件、飞行器的热防护系统等;
3)汽车工业领域:提高整车性能,减轻车身重量;
4)核电:可用于核电高温部件及核燃料的包壳材料等;
5)兵器:用于炮筒。

图片


用于提高涡轮发动机的效率

陶瓷具有耐高温性能,可以使用陶瓷基复合材料和陶瓷热障涂层来增加涡轮发动机的效率。陶瓷可以在高于1100℃温度下工作而不需要或者需要很少冷却,陶瓷基复合材料也比目前使用的金属合金轻30〜50%。复合燃烧器内衬和涡轮叶片都涂有陶瓷时,操作温度可提高到1650℃,并可在燃烧环境中保护各个部件。基于氧化铪的多组分陶瓷涂料通过1650℃连续300小时测试。

图片

用于航空发动机及飞机刹车盘

对于航空发动机来说,提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径,但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点,温度上升空间很小,因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性,可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。同时陶瓷基复合材料密度小,有利于发动机减重。随着民用航空业对提高燃油效率的不断追求,通用航空GE预计在今后十年陶瓷基复合材料在航空中的应用将增长十倍。

碳陶刹车盘与上一代刹车盘相比,静摩擦系数提高1-2倍,湿态摩擦性能衰减降低60%以上,磨损率降低50%以上,使用寿命提高1-2倍。生产周期降低2/3,生产成本降低1/3,能耗降低2/3,性价比提高2-3倍。是目前国际上发现唯一能在1500℃高温环境下,各项物理性能不发生衰减的材料。推广应用后,每年可为中国民航客机节约成本3亿元左右。

图片

用于火箭发动机热结构件

陶瓷基复合材料可用于火箭发动机中。由于陶瓷基复合材料耐热冲击性高,对液体推进剂化学稳定性高,比金属材料耐高温,具有较高的抗蠕变性,是一种理想的液体火箭发动机热结构件材料。

图片

用于航天飞行器和导弹的热防护材料

航天飞行器在进入大气的过程中,由于强烈的气动加热,飞行器的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃,热防护系统是航天飞行器的关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用放热-结构分开的思想,即冷却结构外部加放热系统。C/SiC复合材料的发展,使飞行器的承载结构和放热一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系统失效造成的机毁人亡事件后,使C/SiC陶瓷基复合材料更受关注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。

陶瓷多孔隔热材料具有均匀分布的孔隙,气孔率高、体积密度小,具有发达的比表面积及独特的性能,相比于金属热防护结构,陶瓷多孔隔热瓦热膨胀系数较低,即使温差很大时,也不会产生很大的热应力而使材料变形。同时由于防热层密度越低,防热层效率越高、质量越小,陶瓷多孔隔热瓦的低密度可以给飞行器带来更好的机动性、增加更多的有效载荷、承受更高的温度。


相比于柔性热防护结构,陶瓷多孔隔热瓦则可承受更高的热流密度,承受一定的载荷,并且可以保持飞行器的气动外形保持不变。陶瓷多孔隔热瓦热防护结构基于上述优点,在可重复使用的运载器上得到了广泛应用,占据了航天飞行器热防护系统中的绝大部分。按照材料内部结构,可将陶瓷多孔隔热材料分为陶瓷纤维隔热材料和陶瓷孔隙隔热材料两类。

用在飞机装甲方面

一些军用直升机均装配有包括陶瓷装甲座椅、陶瓷组件和陶瓷面板系统等部件在内的陶瓷装甲系统。此外,陶瓷基复合材料还应用在陆军的装甲战车上,如斯特瑞克中型装甲车。

图片

于卫星反射镜等光学系统

对于某些类型的能量如光、或其它一些类似的形式来说,陶瓷材料是透明的,所以,红外穹顶、传感器保护和多光谱窗口均可以使用陶瓷。除了光学性能,先进陶瓷材料还有这些设备所渴求的耐磨性、高强度和热稳定性。

卫星反射镜材料的性能要求是密度低、比刚度大、热膨胀系数CTE低、高导热性以及适当的强度和硬度、可设计性等。玻璃反射镜和金属反射镜加工成大型轻型反射镜都有一定的局限性。因此,国内外都正在研究C/SiC复合材料反射镜,该复合材料密度较低,刚度高,在低温下热膨胀系数小及导热性能良好,热性能和力学性能都比较理想,而且可以得到极好的表面抛光,是一种十分理想的卫星反射镜基座材料。美国、俄罗斯、德国、加拿大等利用碳纤维增强碳化硅复合材料(Cf/SiC)制备出高性能反射镜。

一种特殊性能的玻璃陶瓷材料由于其很好的电学性能和耐高温性能而在电磁窗火炮炮弹中应用。

一种特殊的玻璃陶瓷因其耐高温和合适电气性用于火炮发射装置的电磁窗口。

氮化硅(非氧化物陶瓷)有着优异的机械强度和介电性能,被用于最新的导弹防空系统的雷达天线罩,微波或其他能量可以穿过这种材料来定位袭击目标。其很高的机械强度让导弹系统可以承受在大气层超高速飞行时产生侵蚀和温度剧变。

正在开发使用的还有用于导弹红外透明窗口的纳米氧化钇陶瓷(氧化物陶瓷的一种)。

图片

另外用于航空中的挡风玻璃、爆炸防护罩,以及飞机传感器等透明材料也在研发之列。适用于传感器的尖晶石陶瓷材料(铝酸镁)在红外区域有着优异的光学性能,而之前的保护装置吸收能量,影响信号交流效率。

用于信息化电子器件

军用陶瓷电容器需求旺盛。电子陶瓷除了在民用领域被广泛应用,随着武器装备信息化的加速,如陶瓷电容器这类电子陶瓷在军工领域的需求不断增大,尤其是片式多层瓷介电容器(MLCC,市占率超过90%),而军用市场对电容器质量要求较高,中国军用陶瓷电容器市场规模常年保持10%以上的增长。

图片

陶瓷材料及陶瓷基复合材料会被用在装甲中

如防弹衣、战机和装甲车的防护层等。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成,防弹层可吸收弹头或弹片的动能,对低速弹头或弹片有明显的防护效果,在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害。热压碳化硼和碳化硅陶瓷基复合材料可以用于制造坚固的抗击打的盔甲板。我国是世界上三大的防弹衣生产国,在国际市场上,我国防弹衣价格大约500美元左右,而其他国家的防弹衣价格在800美元左右,在制造成本方面我国存在优势。

和传统的材料如塑料和金属相比,先进的陶瓷材料具有质轻、耐高温、硬度高、耐摩擦、耐腐蚀、摩擦系数小和特殊的电导性能等优点。常用的陶瓷片材料为二硼化钛、碳化硼、碳化硅、氧化铝等。被广泛应用于抗击中等口径枪的轻质耐用防弹衣上。

热压碳化硼和碳化硅陶瓷能优化复合材料结构结合,制造坚固的抗多发打击装甲片。

阿帕奇、小羚羊、超级美洲狮、超级眼镜蛇、黑鹰、奇努克和其他一些军用直升机均装配有包括陶瓷装甲座椅、陶瓷组件和陶瓷面板系统等部件在内的陶瓷装甲系统。

图片
来源|无机非金属材料科学


    

中国(西安)军工科技产业博览会(大会官网) 陕ICP备2021015606号-1

网站建设技术支持:会天下    

观众预登记