深析軍工裝備“新寵”——先進(jìn)陶瓷材料10大核心技術(shù)、研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化問題等
先進(jìn)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(jìn)陶瓷中約占70%的市場(chǎng)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(dòng)機(jī)及飛機(jī)剎車盤：對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，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(shí)陶瓷基復(fù)合材料密度小，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)減重。隨著民用航空業(yè)對(duì)提高燃油效率的不斷追求，通用航空GE預(yù)計(jì)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(jī)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(jià)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(xiàng)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(jī)節(jié)約成本3億元左右。
用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件：陶瓷基復(fù)合材料可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。由于陶瓷基復(fù)合材料耐熱沖擊性高，對(duì)液體推進(jìn)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(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件材料。
用于航天飛行器和導(dǎo)彈的熱防護(hù)材料：航天飛行器在進(jìn)入大氣的過程中，由于強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱，飛行器的頭錐和機(jī)翼前緣的溫度高達(dá)1650℃，熱防護(hù)系統(tǒng)是航天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一。第一代熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hào)熱防護(hù)系統(tǒng)失效造成的機(jī)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(jī)和導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)翼、機(jī)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?qiáng)度和硬度、可設(shè)計(jì)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(qiáng)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(huì)被用在裝甲中：如防彈衣、戰(zhàn)機(jī)和裝甲車的防護(hù)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(dòng)能，對(duì)低速彈頭或彈片有明顯的防護(hù)效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對(duì)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(jiān)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(chǎng)上，我國防彈衣價(jià)格大約500美元左右，而其他國家的防彈衣價(jià)格在800美元左右，在制造成本方面我國存在優(yōu)勢(shì)。
用在飛機(jī)裝甲方面：一些軍用直升機(jī)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(chǎng)對(duì)電容器質(zhì)量要求較高，中國軍用陶瓷電容器市場(chǎng)規(guī)模常年保持10%以上的增長。