陶瓷材料在新兴领域的应用简析

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  工程陶瓷除在机械、化工、冶金等传统产业中作为耐高温、耐磨、耐腐蚀材料应用外,在战略性新兴产业领域如航天航空领域、电子信息领域、新能源领域、节能环保领域也正获得越来越广泛的应用。   一、陶瓷材料在航天航空领域的应用   航天航空领域用材料大多在超高温、高真空、强辐照等极端苛刻环境中使用,要求材料具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀等特性。虽然航天航空领域的市场规模有限,但其对材料性能的高要求有力推动了工程陶瓷研制水平的提高和技术进步。   1、陶瓷基复合材料用于航天器外壳。碳纤维或碳化硅等陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料已成为制造航天器外壳和火箭喷嘴(推力室)等不可或缺的材料。   陶瓷材料在极端条件下应用优势特别明显   2、HfB2、ZrB2、ZrC等用于超高温陶瓷涂层。随着超高声速飞行器的发展,对其表面抗烧蚀和抗大气冲刷的要求也越来越高,HfB2、ZrB2、ZrC等超高温陶瓷作为高温涂层材料对提升飞行器表面的抗烧蚀和抗冲刷能力有着不可替代的作用。   3、氮化物复合材料用于高温透波材料。氮化硅、氮化硼等氮化物陶瓷具有耐高温、介电常数和介电损耗低、抗蠕变和抗氧化等优异性能,可用作新一代透波材料,但很难在超高音速飞行器天线罩工作的苛刻环境下使用,因此氮化物复合材料将成为高温透波材料的发展方向。六方氮化硼陶瓷的导热性好、微波穿透能力强,可用作雷达窗口材料,同时其密度较小,可用作飞行器的高温结构材料。   二、陶瓷材料在电子信息领域的应用   1、陶瓷电路基板陶瓷材料。工程陶瓷对电子信息领域的技术进步起着至关重要的作用,氮化铝、氧化铝、蓝宝石基片在高集成度的电路板上应用越来越广泛。   2、宽禁带半导体材料陶瓷材料。碳化硅等宽禁带半导体材料的发展可大幅提高原有硅集成电路的性能,对大功率和高密度用集成电路芯片的发展至关重要。   3、光钎及其连接器上的陶瓷材料。作为网络信息传输的光纤及其连接器分别由高纯石英玻璃纤维和氧化锆陶瓷制造。   4、激光发光晶体。固体激光器的发光晶体材料主要是红宝石或钇铝石榴石;   5、相机上的压电陶瓷。照相机的自动对焦系统少不了压电陶瓷;   6、电子产品外壳材料。智能手机和手表的外壳也越来越多地选用表面光洁且耐磨性好的氧化锆陶瓷。 1527648681505623.png   氧化锆表盘用于高端手表表盘   三、陶瓷材料在新能源领域的应用   1、锂电池正负极材料。工程陶瓷在新能源领域的应用范围更是广阔。人们所熟悉的锂离子电池,其正极材料都是LiCoO2、LiMnO2、Li(Co,Ni,Mn)O2、LiFePO4等陶瓷材料,而作为负极材料的碳材料也有被陶瓷取代的趋势。   2、高温燃料电池的隔膜材料为氧化锆陶瓷;   3、集热式太阳能热发电的光吸收和热传导材料为碳化硅陶瓷;   4、核能发电用反应堆的中子吸收剂为碳化硼等含硼陶瓷;   5、碳化物涂层及氮化物和碳化物复合涂层可用做核聚变堆中的抗氚涂层;   6、风力发电的电机轴承也采用高可靠免维护的氮化硅陶瓷轴承;   7、氮化硼晶体经掺杂后可实现紫外发光,能用于制备紫外半导体激光器,而硅基氮化硼薄膜具有光电效应,可用于制备光电池。   随着新能源技术的进一步发展,工程陶瓷在该领域的应用也将进一步拓展。   四、陶瓷材料节能环保领域的应用   工程陶瓷在节能环保领域的应用非常广泛,这也是工程陶瓷产业发展的重点方向。   1、高气孔率陶瓷材料用于隔热保温材料   具有高闭口气孔率的轻质隔热保温材料(如氧化铝空心球、泡沫陶瓷制品等)和耐高温的氧化铝纤维或莫来石多晶棉等可作为隔热保温材料在1000~1700℃的高温下使用,有效节约了能源。此外,陶瓷材料通常具有较高的辐射系数,作为工业炉的内衬材料可促进辐射传热,升温速率更快并使炉内温度均匀;氮化钛薄膜具有低辐射性能,在可见光区具有较高的透射率,在近红外光区具有一定的反射性,是一种高效的节能薄膜。   2、高开口气孔率的陶瓷膜用于烟气分离及废水处理   具有高开口气孔率的陶瓷膜可实现高温烟气和工业含尘气体的气-固分离,能有效去除粒径小于等于2.5μm的颗粒物及更细小的粉尘,且反冲再生效果好;陶瓷的使用温度可达1400℃以上,能耐各种酸碱和腐蚀性气体的侵蚀,使用寿命长。在工业废水和城镇饮用水处理方面,陶瓷膜也因具有耐腐蚀、可再生和使用寿命长等更优异的性能,正逐步取代高分子膜材料而获得越来越广阔的应用。   平板陶瓷膜
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