陶瓷材料

人们以砖、瓦和玻璃的形式使用陶瓷已经有许多世纪了。然而，在最近几年内，先进的工艺方法和新的合成工艺的发展导致了新一代先进陶瓷的产生。这些材料所展现的性能表明，它们有可能应用于许多工业领域。
新型或先进陶瓷由尺寸和形状非常均匀、纯净的无机金属粉末制成。这些粉末在高温下，并常常也在高压下被处理形成致密坚硬的结构。与传统金属相比，先进陶瓷一般具有强度高、相对重量轻及优异的耐高温和抗腐蚀性。这些特点，尤其具有承受极高工作温度的能力，使先进陶瓷材料成为先进推进系统的结构应用和高性能应用的备选材料。美国高级结构陶瓷产品市场容量，1992年近4亿美元，三大基本领域 (磨损部件、切削工具和轴承)占三分之二。
高级结构陶瓷的最大生产国是美国和日本，它们共占世界产量的25%。高级结构陶瓷目前仅占现应用领域5%的市场，但是，预计它将以每年10%以上的速度增长，因为一些工业部门迫切需要轻型节能部件。到2000年，美国对高级结构陶瓷产品的需求，预计在20亿至30亿美元之间。最具潜力的市场是与汽车发动机相关的市场，现在，汽车发动机基本上未用高级陶瓷部件。汽车发动机陶瓷部件的优点有： 燃料效率提高、摩擦力、重量和惯性降低，冷却系统可以简化或取消。要将高级陶瓷部件利用于汽车，主要障碍仍然是，与金属部件相比其成本太高，汽车制造商抵制用未经多大考验的陶瓷部件取代久经考验的金属部件。虽然高级陶瓷材料目前还未用于飞机发动机，但这些材料能在高温下以超过金属合金的强度运行，所以可望增加需求。工业专家预测，到2010年，飞机发动机重量的20—30%将由陶瓷部件所占。如果这个预测证明是准确的； 那么，使用高级陶瓷后，飞机发动机重量就可减轻25%，节省燃料5%。这样，一架普通客机终生可节省飞行成本1800万美元。高级结构陶瓷可用于航空，制造叶片和非旋转部件等。
要使高级结构陶瓷能打开市场，我们必须解决三个障碍： 影响陶瓷材料在许多关键用途中的性能和可靠性的技术障碍必须克服； 与个别部件和所需系统再设计相关的成本必须大大降低； 最终用户对陶瓷部件的接受力必须提高。脆性和可重复加工性差一直是先进陶瓷材料使用的主要限制因素。当处于应力状态时，材料中的微观缺陷会发展为导致突然失效的裂纹。然而，近几年内，研究者们已经研究出几种改善陶瓷韧性和可靠性的有效方法。一种最有前途的方法是采用高强度纤维、晶粒或颗粒来增强陶瓷基体。这些复合材料被称为陶瓷基复合材料 (CMCS)。在陶瓷基复合材料中，增强剂阻止基体中的微裂纹发展成为全羽毛状的裂纹。高强度纤维陶瓷基复合材料具有优良的韧性，可用于许多高性能领域，特别是航天领域。为了充分发挥陶瓷基复合材料 的潜力，需要进一步改进基体和增强剂界面的可靠性，并研究更加经济的加工方法。另一个途径是更多地使用陶瓷涂层。就某些应用而言，涂层具有均质陶瓷的许多优点和很少的缺点。例如，陶瓷涂层能够有效地改善高温合金构件的高温性能和耐磨性。涂有很薄陶瓷涂层的构件将不会像均质陶瓷那样发生脆性断裂。此外，陶瓷涂层的成本没有均质陶瓷结构部件那样昂贵和复杂。陶瓷涂层广泛用于高性能航天用轴承和机轮构件以及工业刀具上。由于目前陶瓷的制造方法复杂，陶瓷粉末成本高，且最终机加工成型困难，所以陶瓷材料一般比与其竞争的金属和合金价格更昂贵。
“近无余量成形” 加工具有减少先进陶瓷成本的重要潜力。这种方法可以使零件的加工尺寸接近所要求的最终形状，因而减少切削和昂贵费时的加工。热等静压工艺是一种正用于某些先进陶瓷的近无余量成形加工技术。通过已装有陶瓷粉末的模子中同时加压和加热，热等静压技术能够生产出近似于构件最终形成状的陶瓷结构。
热塑性陶瓷的研究代表了另一种大有前途的途径。这种陶瓷在加热到一定温度后能进行压制、铸造和模制。对近无余量成形加工工艺的进一步改进，包括得到均匀超塑性，是减少先进陶瓷产品和构件成本的关键。高性能陶瓷是高温应用如先进发动机的一项关键技术，这是因为它有许多优点，包括因更高的燃烧温度、更轻巧的设计和简化或者冷却系统而带来的高特性和较高的燃料效率。陶瓷还是对耐磨性和耐蚀性要求极高的应用领域的优异材料。总之，陶瓷有可能在性能要求最高的领域显示出最强的实力。但是，至少在形成一个大规模制造陶瓷的基础或研究出更加经济有效的工艺方法而使成本降低之前，先进陶瓷因价格因素而在价格敏感领域不会得到广泛的应用。
下面的讨论评价了陶瓷材料在特殊领域，包括军事与航空航天、地面运输、制造和电子领域的应用。先进的航空航天设计要求改进推进能力以达到所期望的性能水平。提高燃烧温度是达到所要求的高推力重量比的关键。陶瓷具有承受1600℃以上工作温度的能力，大大超过了高性能涡轮发动机现在所用高温合金的最高温度。陶瓷还比高温合金轻得多。根据这些估价，全陶瓷涡轮发动机能够提供比目前高性能飞机发动机高40%的功率，并且还可大大节省燃料。鉴于这些潜在的优点，目前正在努力为下一代高性能军用飞机的涡轮发动机研制陶瓷受热部件。然而这种应用要求不断改进陶瓷的韧性和可靠性。因此，一个飞机制造商估计到2000年陶瓷材料将占高性能飞机涡轮发动机重量的大约30%。导弹、靶机和其他短寿命陶瓷基涡轮发动机是最终的发展目标。陶瓷构件还将广泛用于先进的亚音速和超音速运输机的推进系统。除先进涡轮发动机的热结构件外，陶瓷在军事和航天领域还具有其他重要用途。航天飞机防热瓦就是由一种特殊陶瓷材料做成的。目前正在考虑陶瓷用于未来超音速飞行器的高温气动表面和辅助结构，此处的工作温度有可能超出现在所用合金的耐热温度。由于陶瓷的硬度高，所以还可用于军事地面装甲车辆，同时它在高性能的航空航天用轴承方面也起着越来越重要的作用。陶瓷对研制先进的汽车发动机也具有越来越大的影响。像航空航天用涡轮发动机那样，在汽车发动机受热部位上使用陶瓷构件也使性能和燃料效率得到提高。
目前，陶瓷构件正在被研制或正用于各种高温发动机结构上，其中包括增压器转子、活塞、轴瓦、阀门和水泵的密封件。尽管目前陶瓷的价格限制了陶瓷零件在价格敏感的汽车市场上的应用，但是陶瓷终究会在未来汽车发动机的设计中起到重要作用。

陶瓷材料

新型或先进陶瓷由尺寸和形状非常均匀、纯净的无机金属粉末制成。这些粉末在高温下，并常常也在高压下被处理形成致密坚硬的结构。与传统金属相比，先进陶瓷一般具有强度高、相对重量轻及优异的耐高温和抗腐蚀性。这些特点，尤其具有承受极高工作温度的能力，使先进陶瓷材料成为先进推进系统的结构应用和高性能应用的备选材料。美国高级结构陶瓷产品市场容量，1992年近4亿美元，三大基本领域 (磨损部件、切削工具和轴承) 占2/3。
高级结构陶瓷的最大生产国是美国和日本，它们共占世界产量的25%。高级结构陶瓷目前仅占现应用领域5%的市场，但是，预计它将以每年10%以上的速度增长，因为一些工业部门迫切需要轻型节能部件。到2000年，美国对高级结构陶瓷产品的需求，预计在20亿至30亿美元之间。最具潜力的市场是与汽车发动机相关的市场，现在，汽车发动机基本上未用高级陶瓷部件。汽车发动机陶瓷部件的优点有：燃料效率提高，摩擦力、重量和惯性降低，冷却系统可以简化或取消。要将高级陶瓷部件利用于汽车，主要障碍仍然是，与金属部件相比其成本太高，汽车制造商抵制用未经多大考验的陶瓷部件取代久经考验的金属部件。虽然高级陶瓷材料目前还未用于飞机发动机，但这些材料能在高温下以超过金属合金的强度运行，所以可望增加需求。工业专家预测，到2010年，飞机发动机重量的20%～30%将由陶瓷部件所占。如果这个预测证明是准确的，那么，使用高级陶瓷后，飞机发动机重量就可减轻25%，节省燃料5%。这样，一架普通客机终生可节省飞行成本1800万美元。高级结构陶瓷可用于航空，制造叶片和非旋转部件等。
要使高级结构陶瓷能打开市场，我们必须解决三个障碍： (1)影响陶瓷材料在许多关键用途中的性能和可靠性的技术障碍必须克服； (2)与个别部件和所需系统再设计相关的成本必须大大降低； (3)最终用户对陶瓷部件的接受力必须提高。脆性和可重复加工性差一直是先进陶瓷材料使用的主要限制因素。当处于应力状态时，材料中的微观缺陷会发展为导致突然失效的裂纹。然而，近几年内，研究者们已经研究出几种改善陶瓷韧性和可靠性的有效方法。一种最有前途的方法是采用高强度纤维、晶粒或颗粒来增强陶瓷基体。这些复合材料被称为陶瓷基复合材料 (CMCS)。在陶瓷基复合材料中，增强剂阻止基体中的微裂纹发展成为全羽毛状的裂纹。高强度纤维陶瓷基复合材料具有优良的韧性，可用于许多高性能领域，特别是航天领域。为了充分发挥陶瓷基复合材料的潜力，需要进一步改进基体和增强剂界面的可靠性，并研究更加经济的加工方法。另一个途径是更多地使用陶瓷涂层。就某些应用而言，涂层具有均质陶瓷的许多优点和很少的缺点。例如，陶瓷涂层能够有效地改善高温合金构件的高温性能和耐磨性。涂有很薄陶瓷涂层的构件将不会像均质陶瓷那样发生脆性断裂。此外，陶瓷涂层的成本没有均质陶瓷结构部件那样昂贵和复杂。陶瓷涂层广泛用于高性能航天用轴承和机轮构件以及工业刀具上。由于目前陶瓷的制造方法复杂，陶瓷粉末成本高，且最终机加工成型困难，所以陶瓷材料一般比与其竞争的金属和合金价格更昂贵。
“近无余量成形”加工具有减少先进陶瓷成本的重要潜力。这种方法可以使零件的加工尺寸接近所要求的最终形状，因而减少切削和昂贵费时的加工。热等静压工艺是一种正用于某些先进陶瓷的近无余量成形加工技术。通过已装有陶瓷粉末的模子中同时加压和加热，热等静压技术能够生产出近似于构件最终形成状的陶瓷结构。
热塑性陶瓷的研究代表了另一种大有前途的途径。这种陶瓷在加热到一定温度后能进行压制、铸造和模制。对近无余量成形加工工艺的进一步改进，包括得到均匀超塑性，是减少先进陶瓷产品和构件成本的关键。高性能陶瓷是高温应用于先进发动机的一项关键技术，这是因为它有许多优点，包括因更高的燃烧温度、更轻巧的设计和简化或者冷却系统而带来的高特性和较高的燃料效率。陶瓷还是对耐磨性和耐蚀性要求极高的应用领域的优异材料。总之，陶瓷有可能在性能要求最高的领域显示出最强的实力。但是，至少在形成一个大规模制造陶瓷的基础或研究出更加经济有效的工艺方法而使成本降低之前，先进陶瓷因价格因素而在价格敏感领域不会得到广泛的应用。
目前，陶瓷构件正在被研制或正用于各种高温发动机结构上，其中包括增压器转子、活塞、轴瓦、阀门和水泵的密封件。尽管目前陶瓷的价格限制了陶瓷零件在价格敏感的汽车市场上的应用，但是陶瓷终究会在未来汽车发动机的设计中起到重要作用。