盤點(diǎn)陶瓷在航空航天中的應(yīng)用

　　北京時(shí)間11月24日凌晨4時(shí)30分21秒，嫦娥五號(hào)月球探測器在海南文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。嫦娥五號(hào)是探月工程三期的主任務(wù)，將實(shí)現(xiàn)我國首次月面采樣返回，完成探月工程三步走目標(biāo)之“回”的關(guān)鍵一步，推動(dòng)月球探測科學(xué)技術(shù)的重大跨越。

　　在此次嫦娥五號(hào)任務(wù)中，中科院上海分院5家研究所紛紛拿出了各自的亮眼技術(shù)，全程助力嫦娥五號(hào)的探月之旅走好每一步。其中上海硅酸鹽研究所承擔(dān)了壓電陶瓷等多個(gè)關(guān)鍵材料的研制。

　　大家都知道，航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笫挚量蹋冗M(jìn)陶瓷因具有高溫強(qiáng)度、良好的斷裂韌性、高硬度、高介電強(qiáng)度、出色耐熱沖擊性和摩擦學(xué)性能，應(yīng)用于航空航天是一個(gè)很好的選擇，能確保優(yōu)異的機(jī)械可靠性、耐熱性和耐磨性等，一直以來得到極大的關(guān)注。

　　首先我們來了解一下陶瓷在我國航空航天領(lǐng)域的幾個(gè)應(yīng)用案例。

應(yīng)用案例

　　01

　　玉兔號(hào)超聲電機(jī)用壓電陶瓷

　　在“玉兔”胸前紅旗的正下方，首次升空的“紅外眼”——紅外成像光譜儀，引人注目。它“眨眨眼”就能對(duì)月球表面進(jìn)行成像與成分分析。誰來控制它“眨眼”?是一個(gè)高性能超聲電機(jī)。

　　這是我國首次將該技術(shù)用于航天工程。超聲電機(jī)身材小，卻本領(lǐng)十足。它重量只有46克，約是同等傳統(tǒng)電機(jī)重量的1/10，且驅(qū)動(dòng)簡單，響應(yīng)時(shí)間只需幾個(gè)毫秒，低轉(zhuǎn)速能使相機(jī)蓋子的開合動(dòng)作變得緩慢。壓電陶瓷是超聲電機(jī)的“心臟”，它保證了超聲電機(jī)電力強(qiáng)勁，并能經(jīng)受月球大的溫差。而此次嫦娥五號(hào)正是應(yīng)用了這種壓電陶瓷。

　　02

　　嫦娥三號(hào)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用碳化硅陶瓷

　　在嫦娥三號(hào)月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，主鏡、次鏡和指向鏡，均由上海硅酸鹽所研制。它們選用了高致密碳化硅特種陶瓷材料。該陶瓷材料質(zhì)量輕、熱導(dǎo)率高，面型穩(wěn)定性好，可在零下20攝氏度至40攝氏度的溫度下穩(wěn)定工作，即使因熱脹冷縮引起的變形也微乎其微，這為望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量提供了保證。

　　03

　　紅外成像光譜儀用二氧化碲聲光晶體

　　在嫦娥五號(hào)以及之前的嫦娥三號(hào)探測器玉兔”的“紅眼睛”——紅外成像光譜儀，便是采用了上海硅酸鹽所通過獨(dú)家生長“秘笈”研制的2塊大尺寸優(yōu)質(zhì)二氧化碲聲光晶體，使光譜儀的光譜范圍和質(zhì)量控制都優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

　　04

　　天宮二號(hào)用納米陶瓷鋁合金

　　由上海交通大學(xué)研制的納米陶瓷鋁合金將陶瓷和鋁結(jié)合起來，兼具了兩者的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度和剛度甚至超過了“太空金屬”鈦合金。據(jù)了解，該材料已經(jīng)用于天宮一號(hào)、天宮二號(hào)、量子衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等關(guān)鍵部件翱翔于太空。

　　05

　　神舟五號(hào)用陶瓷基板

　　2003年10月，我國第一艘載人飛船神州五號(hào)成功發(fā)射。天馬新材的氧化鋁陶瓷基板，成功應(yīng)用在發(fā)射器的芯片上，與我國第一位航天員楊利偉共同飛入太空。

陶瓷在航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用

　　01

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)

　　所有的發(fā)動(dòng)機(jī)都是基于卡諾循環(huán)的原理，也就是說燃?xì)鉁囟仍礁咝试礁摺＿@就需要提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃料消耗, 而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度是關(guān)鍵。因此高溫結(jié)構(gòu)陶瓷及其陶瓷基復(fù)合材料的研究成為高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　02

　　陶瓷軸承

　　陶瓷軸承是在航空航天產(chǎn)業(yè)中使用較為廣泛的一種產(chǎn)品，具有耐高溫、耐寒、耐磨、耐腐蝕、抗磁電絕緣、高轉(zhuǎn)速等特性。陶瓷軸承針對(duì)航空航天工業(yè)中惡劣環(huán)境下的調(diào)整、重載、低溫、無潤滑工況而開發(fā)，是新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。

　　03

　　紅外偽裝隱身材料

　　陶瓷紅外偽裝隱身技術(shù)是通過采用紅外功能陶瓷材料來降低或改變目標(biāo)的紅外輻射特征以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的紅外低可探測性的技術(shù)。這種材料具有改變紅外輻射特性的能力，在大氣窗口波段內(nèi)具有低紅外發(fā)射率，在紅外視場下，將目標(biāo)紅外特性同周圍環(huán)境背景融合，實(shí)現(xiàn)與紅外地形匹配，最大限度地減少目標(biāo)紅外特征信號(hào)。

　　此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)中采用陶瓷部件的話，發(fā)熱量降低，抑制了紅外輻射的發(fā)射，也能起到紅外隱身功能。

　　04

　　天線罩透波材料

　　航天透波材料(天線罩)是為了保護(hù)航天飛行器在惡劣環(huán)境氣候條件下，通訊、遙測、引爆、制導(dǎo)等相關(guān)系統(tǒng)能正常工作的一種多功能材料。多孔氮化硅陶瓷材料具有較低的介電常數(shù)和介電損耗，密度低，隔熱性能良好，強(qiáng)度適合，使用壽命也很長，同時(shí)在單位厚度上對(duì)雷達(dá)波的吸收率相對(duì)于其它陶瓷材料低等特性 ,使其在航天透波材料方面具有優(yōu)良的應(yīng)用潛力。

　　05

　　衛(wèi)星用電池

　　要想盡可能的延長衛(wèi)星電池的使用壽命，必須使用陶瓷隔膜材料。陶瓷隔膜是采用稀土等復(fù)合材料經(jīng)真空細(xì)密混合成型，然后高溫?zé)Y(jié)而成，能耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，在鉻酸槽液中不溶解。

　　06

　　飛機(jī)剎車盤及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防氧化陶瓷涂層

　　碳/碳復(fù)合材料由于其獨(dú)特的性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及其喉襯、飛機(jī)剎車盤等。但它有個(gè)致命缺陷，在溫度高于400℃的有氧環(huán)境中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致材料的性能急劇下降。因此，碳/碳復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境下的應(yīng)用必須進(jìn)行有氧化防護(hù)措施。而憑借出色的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，抗氧化陶瓷涂層應(yīng)運(yùn)而生。

　　07

　　陶瓷基板

　　在火箭突破大氣層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的外部摩擦力，從而影響內(nèi)部的各種傳感器，溫度、壓力等傳感器最受影響。從外部傳來的不僅有很大的力，還會(huì)產(chǎn)生大量的熱。在壓力傳感器中，其精度是非常重要的，如果內(nèi)部電路板因外力受損，那這個(gè)壓力傳感器也就意味著廢掉了。而氧化鋯陶瓷基板憑著其很高的耐磨性與抗壓性，根本不會(huì)出現(xiàn)損壞。

　　08

　　航天器外殼陶瓷涂層

　　HfB2、ZrB2、ZrC等用于超高溫陶瓷涂層。隨著超高聲速飛行器的發(fā)展，對(duì)其表面抗燒蝕和抗大氣沖刷的要求也越來越高，HfB2、ZrB2、ZrC等超高溫陶瓷作為高溫涂層材料對(duì)提升飛行器表面的抗燒蝕和抗沖刷能力有著不可替代的作用。

　　09

　　紅外系統(tǒng)護(hù)窗

　　這種陶瓷由氧化釔和氧化鎂構(gòu)成，由俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)的青年學(xué)者及俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院化學(xué)研究所、烏克蘭國家科學(xué)院單晶研究所、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的專家們共同發(fā)明。據(jù)稱，該材料可用來制造航空航天設(shè)備的紅外系統(tǒng)護(hù)窗，可透過70%以上的6000納米以下紅外區(qū)光線。

　　10

　　直升機(jī)裝甲

　　考慮到武裝直升機(jī)在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場生存能力，在座椅和直升機(jī)的關(guān)鍵部位采用了陶瓷復(fù)合輕質(zhì)裝甲材料，涉及到的特種陶瓷主要是氧化鋁陶瓷和碳化硼陶瓷。

　　前蘇聯(lián)“米-28”在機(jī)身以及座艙外都大膽的使用特種陶瓷作為防護(hù)材料，配備兩層裝甲板，具有一定厚度的鈦合金板處在兩層裝甲板的內(nèi)部，而外部則使用了大量的特種陶瓷。

參考來源：

　　[1] 十余種獨(dú)家“秘制”讓嫦娥不懼“冰火”.中國科學(xué)報(bào)

　　[2] 嫦娥三號(hào)最新消息：中科院研發(fā)十多種材料 制"外衣"助"玉兔"信步廣寒.文匯報(bào)

　　[3] 盤它!嫦娥五號(hào)上的“中科院出品”.中國科學(xué)報(bào)

　　[4]張立同.國外航空用陶瓷發(fā)展趨勢.西北工業(yè)大學(xué)

　　[5]林智群等.碳化硅陶瓷纖維的性能及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

　　[6]姚燦.陶瓷涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究

　　[7]胡彥.陶瓷在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　[8]甘永學(xué).纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

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