山東-蘭海新材料
專業(yè)生產(chǎn)耐磨蝕復(fù)合材料
2022年6月5日10時44分，隨著“點火”、“起飛”的指令發(fā)出，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功將搭載神舟十四號載人飛船的長征二號F遙十四運載火箭發(fā)射成功。
從1992年立項，到2022年神州十四上天，隨著航空航天高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對研制具有耐高溫、抗氧化、高強(qiáng)度等性能的材料提出了迫切要求，在對高溫陶瓷材料熱運輸和微觀結(jié)構(gòu)的理論研究進(jìn)程中科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)過，碳化硅和氮化硼陶瓷材料所具有的耐高溫,熱導(dǎo)率高和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，在機(jī)械工業(yè)、核能以及航天航空各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
空間站應(yīng)用：
2021年4月29日空間站“天和”核心艙發(fā)射成功后，中國科學(xué)院金屬研究所就在其官網(wǎng)就該所多項材料技術(shù)成果在“天和”核心艙獲得應(yīng)用發(fā)布動態(tài)，其中就包含了氮化硼、碳化硅陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)成果：
（1）首次應(yīng)用于核心艙電推進(jìn)系統(tǒng)中的霍爾推力器腔體采用了由金屬所研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料。金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心陳繼新副研究員，帶領(lǐng)團(tuán)隊解決了氮化硼陶瓷材料強(qiáng)度低、易吸潮、腔體放電狀態(tài)不穩(wěn)定、抗離子濺射能力差等難題，研制出具備低密度、高強(qiáng)度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優(yōu)點的氮化硼基復(fù)合材料，滿足了推力器對陶瓷腔體材料的要求。此外，霍爾推力器中還有多種部件也采用了該陶瓷材料作為高電壓與低電壓之間的絕緣介質(zhì)。
（2）由金屬所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心馬宗義團(tuán)隊研制的高性能碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiC/Al）應(yīng)用于太陽翼伸展機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件，保證了電源系統(tǒng)的順利展開。
嫦娥五號著陸器：
在2020年12月2日，嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝工作，其中月球鉆取采樣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件—鉆桿及其結(jié)構(gòu)件就是由中國科學(xué)院金屬研究所馬宗義團(tuán)隊研制的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，其輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度和耐磨損等特點，滿足了嫦娥五號在月球表面苛刻工況下的采樣需求。
鋁基復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐磨損等優(yōu)異特性，是替代鋼、鈦、鋁等傳統(tǒng)金屬制備鉆桿的理想材料。然而，傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)韌性匹配差，其穩(wěn)定性和可靠性難以滿足鉆采機(jī)構(gòu)苛刻的工作環(huán)境和“萬無一失”的質(zhì)量要求。馬宗義團(tuán)隊通過研發(fā)鋁基復(fù)合材料大尺寸坯錠及多道次變形加工工藝，研制出高強(qiáng)韌鋁基復(fù)合材料擠壓棒材、鍛件和厚壁管材，實現(xiàn)材料性能和穩(wěn)定性的大幅提升，研制的鉆桿耐磨性和強(qiáng)度可與鋼材媲美，實現(xiàn)減重65%，解決了月壤鉆桿“無材可用、有材難加工”的困境。為嫦娥五號鉆采任務(wù)的順利完成提供了重要支撐。
由上述案例可以看出，先進(jìn)陶瓷材料在我國航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用早已進(jìn)入實戰(zhàn)，任何一種在實驗理論表現(xiàn)突出的材料，最終進(jìn)入現(xiàn)實終端應(yīng)用才能體現(xiàn)它最大的價值。
可被應(yīng)用于航天領(lǐng)域的先進(jìn)陶瓷舉例：
（1）碳化硅陶瓷纖維（SiCf）：
碳化硅纖維在其他陶瓷纖維類別中的抗拉強(qiáng)度、抗蠕變性、抗氧化性以及陶瓷基體相容性等方面表現(xiàn)都更為突出，其在航空航天領(lǐng)域已有多次應(yīng)用研究，英國航天局（AEA）就曾將40vol%的連續(xù)SiCf增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料用于新型航天飛行器并獲得成功。該材料用熱壓或熱等靜壓成型，質(zhì)輕且堅固，在承受強(qiáng)大的空氣動壓力的同時還能經(jīng)受航天器重返大氣層時的極度高溫，滿足了航天器的苛刻需求，且成本不高，使用方便，是鈦合金和鎳基耐熱合金的理想替代物。
SiCf還能作為吸波材料的吸收劑和增強(qiáng)劑，輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐磨、耐高溫且同時具備良好的吸波性能。美國就已研制出了SiCf增強(qiáng)的玻璃陶瓷基復(fù)合材料，它在高溫環(huán)境下也具備吸波性能。有報道稱，用SiCf和聚醚醚酮纖維混雜增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料可用于制造隱身巡航導(dǎo)彈的頭錐和火箭發(fā)動機(jī)殼體，該材料在軍事航天領(lǐng)域上也不容小覷。
（2）新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料：
2017年昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的馮晶教授團(tuán)隊就研究了一種新型陶瓷熱障涂層材料，且有望使我國在熱障涂層技術(shù)完成領(lǐng)跑式的發(fā)展。馮晶教授表示，在航空發(fā)動機(jī)中最重要的技術(shù)就是兩盤一片和熱障涂層，所以熱障涂層技術(shù)也是影響發(fā)動機(jī)的四大關(guān)鍵核心技術(shù)之一。
根據(jù)介紹，馮晶教授團(tuán)隊研制的新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料，其最高使用溫度可以達(dá)到1600℃、甚至是1800℃，是一種非常穩(wěn)定的陶瓷。同時其相比西方傳統(tǒng)的氧化鋯基材料，還存在著三大優(yōu)勢，首先就是其熱導(dǎo)率比氧化鋯基材料低一半，能更好地保護(hù)發(fā)動機(jī)葉片和其他部件，使發(fā)動機(jī)的使用壽命變長。其次就是鐵彈相更加增韌，大大提高了材料的高溫斷裂韌性。最后在低熱導(dǎo)率的機(jī)制上，兩者也有很大的不同，稀土鉭酸鹽材料更加不容易被破壞。
（3）韌性多孔陶瓷材料：
美國北達(dá)科他能源與環(huán)境研究中心就曾開發(fā)出一種多孔陶瓷材料，這種材料更耐高溫、韌性更好，其質(zhì)量足以滿足宇航應(yīng)用，與其他材料聯(lián)合使用就更加抗震。
用這種材料制成的4個單體結(jié)構(gòu)被安裝于空間站的每一邊，進(jìn)行4~6個月的試驗，在此期間相關(guān)元件則會暴露于紫外輻射及原子態(tài)氧的作用之下。
低溫下，這種材料適用于發(fā)電站或其他工業(yè)元件的韌性、抗撞擊應(yīng)用，也可用于輕質(zhì)防彈裝甲材料。
（3）陶瓷零件增材制造技術(shù)：
與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術(shù)具有設(shè)計自由度高、產(chǎn)品研發(fā)周期短、制造成本相對較低等優(yōu)勢，可以無需模具快捷制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)先進(jìn)陶瓷零件。世界知名發(fā)動機(jī)公司羅爾斯·羅伊斯對航空發(fā)動機(jī)材料的發(fā)展作出評估：發(fā)動機(jī)中的金屬材料，如鋁合金、鎳合金及鈦合金等材料的用量在21世紀(jì)初會逐漸減少，取而代之的將是新型高性能陶瓷材料及其他復(fù)合材料。
從1992年立項，到2022年神州十四上天，隨著航空航天高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對研制具有耐高溫、抗氧化、高強(qiáng)度等性能的材料提出了迫切要求，在對高溫陶瓷材料熱運輸和微觀結(jié)構(gòu)的理論研究進(jìn)程中科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)過，碳化硅和氮化硼陶瓷材料所具有的耐高溫,熱導(dǎo)率高和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，在機(jī)械工業(yè)、核能以及航天航空各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
空間站應(yīng)用：
2021年4月29日空間站“天和”核心艙發(fā)射成功后，中國科學(xué)院金屬研究所就在其官網(wǎng)就該所多項材料技術(shù)成果在“天和”核心艙獲得應(yīng)用發(fā)布動態(tài)，其中就包含了氮化硼、碳化硅陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)成果：
（1）首次應(yīng)用于核心艙電推進(jìn)系統(tǒng)中的霍爾推力器腔體采用了由金屬所研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料。金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心陳繼新副研究員，帶領(lǐng)團(tuán)隊解決了氮化硼陶瓷材料強(qiáng)度低、易吸潮、腔體放電狀態(tài)不穩(wěn)定、抗離子濺射能力差等難題，研制出具備低密度、高強(qiáng)度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優(yōu)點的氮化硼基復(fù)合材料，滿足了推力器對陶瓷腔體材料的要求。此外，霍爾推力器中還有多種部件也采用了該陶瓷材料作為高電壓與低電壓之間的絕緣介質(zhì)。
（2）由金屬所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心馬宗義團(tuán)隊研制的高性能碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiC/Al）應(yīng)用于太陽翼伸展機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件，保證了電源系統(tǒng)的順利展開。
嫦娥五號著陸器：
在2020年12月2日，嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝工作，其中月球鉆取采樣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件—鉆桿及其結(jié)構(gòu)件就是由中國科學(xué)院金屬研究所馬宗義團(tuán)隊研制的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，其輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度和耐磨損等特點，滿足了嫦娥五號在月球表面苛刻工況下的采樣需求。
鋁基復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐磨損等優(yōu)異特性，是替代鋼、鈦、鋁等傳統(tǒng)金屬制備鉆桿的理想材料。然而，傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)韌性匹配差，其穩(wěn)定性和可靠性難以滿足鉆采機(jī)構(gòu)苛刻的工作環(huán)境和“萬無一失”的質(zhì)量要求。馬宗義團(tuán)隊通過研發(fā)鋁基復(fù)合材料大尺寸坯錠及多道次變形加工工藝，研制出高強(qiáng)韌鋁基復(fù)合材料擠壓棒材、鍛件和厚壁管材，實現(xiàn)材料性能和穩(wěn)定性的大幅提升，研制的鉆桿耐磨性和強(qiáng)度可與鋼材媲美，實現(xiàn)減重65%，解決了月壤鉆桿“無材可用、有材難加工”的困境。為嫦娥五號鉆采任務(wù)的順利完成提供了重要支撐。
由上述案例可以看出，先進(jìn)陶瓷材料在我國航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用早已進(jìn)入實戰(zhàn)，任何一種在實驗理論表現(xiàn)突出的材料，最終進(jìn)入現(xiàn)實終端應(yīng)用才能體現(xiàn)它最大的價值。
可被應(yīng)用于航天領(lǐng)域的先進(jìn)陶瓷舉例：
（1）碳化硅陶瓷纖維（SiCf）：
碳化硅纖維在其他陶瓷纖維類別中的抗拉強(qiáng)度、抗蠕變性、抗氧化性以及陶瓷基體相容性等方面表現(xiàn)都更為突出，其在航空航天領(lǐng)域已有多次應(yīng)用研究，英國航天局（AEA）就曾將40vol%的連續(xù)SiCf增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料用于新型航天飛行器并獲得成功。該材料用熱壓或熱等靜壓成型，質(zhì)輕且堅固，在承受強(qiáng)大的空氣動壓力的同時還能經(jīng)受航天器重返大氣層時的極度高溫，滿足了航天器的苛刻需求，且成本不高，使用方便，是鈦合金和鎳基耐熱合金的理想替代物。
SiCf還能作為吸波材料的吸收劑和增強(qiáng)劑，輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐磨、耐高溫且同時具備良好的吸波性能。美國就已研制出了SiCf增強(qiáng)的玻璃陶瓷基復(fù)合材料，它在高溫環(huán)境下也具備吸波性能。有報道稱，用SiCf和聚醚醚酮纖維混雜增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料可用于制造隱身巡航導(dǎo)彈的頭錐和火箭發(fā)動機(jī)殼體，該材料在軍事航天領(lǐng)域上也不容小覷。
（2）新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料：
2017年昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的馮晶教授團(tuán)隊就研究了一種新型陶瓷熱障涂層材料，且有望使我國在熱障涂層技術(shù)完成領(lǐng)跑式的發(fā)展。馮晶教授表示，在航空發(fā)動機(jī)中最重要的技術(shù)就是兩盤一片和熱障涂層，所以熱障涂層技術(shù)也是影響發(fā)動機(jī)的四大關(guān)鍵核心技術(shù)之一。
根據(jù)介紹，馮晶教授團(tuán)隊研制的新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料，其最高使用溫度可以達(dá)到1600℃、甚至是1800℃，是一種非常穩(wěn)定的陶瓷。同時其相比西方傳統(tǒng)的氧化鋯基材料，還存在著三大優(yōu)勢，首先就是其熱導(dǎo)率比氧化鋯基材料低一半，能更好地保護(hù)發(fā)動機(jī)葉片和其他部件，使發(fā)動機(jī)的使用壽命變長。其次就是鐵彈相更加增韌，大大提高了材料的高溫斷裂韌性。最后在低熱導(dǎo)率的機(jī)制上，兩者也有很大的不同，稀土鉭酸鹽材料更加不容易被破壞。
（3）韌性多孔陶瓷材料：
美國北達(dá)科他能源與環(huán)境研究中心就曾開發(fā)出一種多孔陶瓷材料，這種材料更耐高溫、韌性更好，其質(zhì)量足以滿足宇航應(yīng)用，與其他材料聯(lián)合使用就更加抗震。
用這種材料制成的4個單體結(jié)構(gòu)被安裝于空間站的每一邊，進(jìn)行4~6個月的試驗，在此期間相關(guān)元件則會暴露于紫外輻射及原子態(tài)氧的作用之下。
低溫下，這種材料適用于發(fā)電站或其他工業(yè)元件的韌性、抗撞擊應(yīng)用，也可用于輕質(zhì)防彈裝甲材料。
（3）陶瓷零件增材制造技術(shù)：
與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術(shù)具有設(shè)計自由度高、產(chǎn)品研發(fā)周期短、制造成本相對較低等優(yōu)勢，可以無需模具快捷制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)先進(jìn)陶瓷零件。世界知名發(fā)動機(jī)公司羅爾斯·羅伊斯對航空發(fā)動機(jī)材料的發(fā)展作出評估：發(fā)動機(jī)中的金屬材料，如鋁合金、鎳合金及鈦合金等材料的用量在21世紀(jì)初會逐漸減少，取而代之的將是新型高性能陶瓷材料及其他復(fù)合材料。
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