先進陶瓷材料按其性能及用途可分為兩大類:結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷材料的軍工應(yīng)用則主要集中在結(jié)構(gòu)材料及電子器件方面:
用于航空發(fā)動機及飛機剎車盤:對于航空發(fā)動機來說,提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣甙l(fā)動機推力的主要技術(shù)途徑,但是目前的渦輪前燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)逐步接近高溫合金自身的熔點,溫度上升空間很小,因此需要有替代材料。陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫特性,可用于熱端構(gòu)件。研究表明陶瓷基復(fù)合材料可將渦輪前燃?xì)鉁囟仍诂F(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高300K以上。同時陶瓷基復(fù)合材料密度小,有利于發(fā)動機減重。隨著民用航空業(yè)對提高燃油效率的不斷追求,通用航空GE預(yù)計在今后十年陶瓷基復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用將增長十倍。
用在飛機剎車盤材料:碳陶剎車盤與上一代剎車盤相比,靜摩擦系數(shù)提高1-2倍,濕態(tài)摩擦性能衰減降低60%以上,磨損率降低50%以上,使用壽命提高1-2倍。生產(chǎn)周期降低2/3,生產(chǎn)成本降低1/3,能耗降低2/3,性價比提高2-3倍。是目前國際上發(fā)現(xiàn)唯一能在1500℃高溫環(huán)境下,各項物理性能不發(fā)生衰減的材料。推廣應(yīng)用后,每年可為中國民航客機節(jié)約成本3億元左右。
用于火箭發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)件:陶瓷基復(fù)合材料可用于火箭發(fā)動機中。由于陶瓷基復(fù)合材料耐熱沖擊性高,對液體推進劑化學(xué)穩(wěn)定性高,比金屬材料耐高溫,具有較高的抗蠕變性,是一種理想的液體火箭發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)件材料。
用于航天飛行器和導(dǎo)彈的熱防護材料:航天飛行器在進入大氣的過程中,由于強烈的氣動加熱,飛行器的頭錐和機翼前緣的溫度高達(dá)1650℃,熱防護系統(tǒng)是航天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一。第一代熱防護系統(tǒng)的設(shè)計是采用放熱-結(jié)構(gòu)分開的思想,即冷卻結(jié)構(gòu)外部加放熱系統(tǒng)。C/SiC復(fù)合材料的發(fā)展,使飛行器的承載結(jié)構(gòu)和放熱一體化。尤其是哥倫比亞號熱防護系統(tǒng)失效造成的機毀人亡事件后,使C/SiC陶瓷基復(fù)合材料更受關(guān)注。在熱結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)件中包括航天飛機和導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)翼、機翼和蓋板等。
用于衛(wèi)星反射鏡:衛(wèi)星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數(shù)CTE低、高導(dǎo)熱性以及適當(dāng)?shù)膹姸群陀捕?、可設(shè)計性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此,國內(nèi)外都正在研究C/SiC復(fù)合材料反射鏡,該復(fù)合材料密度較低,剛度高,在低溫下熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱性能良好,熱性能和力學(xué)性能都比較理想,而且可以得到極好的表面拋光,是一種十分理想的衛(wèi)星反射鏡基座材料。美國、俄羅斯、德國、加拿大等利用碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。
陶瓷材料及陶瓷基復(fù)合材料會被用在裝甲中:如防彈衣、戰(zhàn)機和裝甲車的防護層等。防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成,防彈層可吸收彈頭或彈片的動能,對低速彈頭或彈片有明顯的防護效果,在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷基復(fù)合材料可以用于制造堅固的抗擊打的盔甲板。我國是世界上三大的防彈衣生產(chǎn)國,在國際市場上,我國防彈衣價格大約500美元左右,而其他國家的防彈衣價格在800美元左右,在制造成本方面我國存在優(yōu)勢。
用在飛機裝甲方面:一些軍用直升機均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統(tǒng)等部件在內(nèi)的陶瓷裝甲系統(tǒng)。此外,陶瓷基復(fù)合材料還應(yīng)用在陸軍的裝甲戰(zhàn)車上,如斯特瑞克中型裝甲車。
用于信息化電子器件:軍用陶瓷電容器需求旺盛。電子陶瓷除了在民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,隨著武器裝備信息化的加速,如陶瓷電容器這類電子陶瓷在軍工領(lǐng)域的需求不斷增大,尤其是片式多層瓷介電容器(MLCC,市占率超過90%),而軍用市場對電容器質(zhì)量要求較高,中國軍用陶瓷電容器市場規(guī)模常年保持10%以上的增長。