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标  题: 陶瓷与高技术兵器结缘 
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Feb  2 23:09:50 2003) , 转信



陶瓷与高技术兵器结缘 
江山易改 本性可移
    陶瓷在历史上出现过3次大飞跃：从陶瓷到瓷器，这是第一次重大飞跃。20世纪四五十
年代，一些强度高、性能好的陶瓷材料出现了，并被广泛应用于工业领域，从传统陶瓷到
工程陶瓷，这是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃。现在陶瓷业正从工程陶瓷进入到纳米陶
瓷的阶段，这是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃。所谓纳米陶瓷，是指陶瓷原料及其显微
结构中所体现的晶粒、晶界、气孔和缺陷分布等的尺度，都在纳米级以内。这将使陶瓷的
性能得到极大的改善，以至发生突变而出现的新性能。
    俗话说：“江山易改，本性难易。”但在人类无穷的智慧和创作力面前，什么都是可
以改变的。脆弱的陶瓷发展到非常坚硬、很有弹性、能耐高温、能够导电……这不生动说
明，江山易改，本性也是“可移”的吗？ 
    提起陶瓷，人们很容易想到日常生活中的饭碗、茶具、坛坛罐罐。其典型性格是"脆"
，十足的易碎品。然而神通广大的高科技却神奇地改变着陶瓷脆弱和笨重的本性，使之成
为制造高新技术兵器的重要材料。
    陶瓷：永不卷刃的野战刀具
    1968年秋天，日本一些大商场几乎是同时贴出大幅广告，大力推销一种新材料刀具。
广告中称，这种刀具"永不卷刃，永不生锈，永不磨损"。柜台里标明的"海军路战队野战刀
具"格外引人注目。产品介绍中说，这种野战刀具具有多种功能，可以当作刺刀、砍刀、切
刀、剪刀、螺丝刀、锯刀、手术刀等，因其不会生锈，特别适宜在热带丛林中野外生存时
使用。最使人们感兴趣的是这些刀具竟然是用陶瓷做的。
    本来，陶瓷最大的弱点是其性脆。一件价值连城的陶瓷工艺品一旦失手掉在地上，就
会粉身碎骨，一钱不值。怎样才能克服陶瓷这一"致命"弱点呢？高科技自有办法。美国、
日本和 欧洲一些国家在研究高温燃气轮机中使用的搪瓷构件时，在氧化铝坯料中加入二氧
化锆，加入量为基体的15％，陶瓷的强度提高了3倍。这种新型陶瓷非常坚韧，不仅摔在地
上不会碎裂，有人还把这种增韧氧化锆瓷球放在铁 上用铁锤使劲敲打，竟无法敲碎。
    新材料技术不仅改变陶瓷的娇嫩和脆弱，而且是陶瓷具有很强的弹性。市场上竟出现
了有很好弹性的陶瓷弹簧，你说怪不怪？
    陶瓷：航天飞机的"外套" 
    1997年5月24日，美国"阿特兰蒂斯"号航天飞机又一次完成太空旅行，穿过薄薄的云层
，在佛落力大佛罗里达州肯尼迪航天中心降落。
    航天飞机在穿越大气层时，与空气摩擦产生高温，其头锥部分最高达2760摄氏度。这
个温度已经超过了氢气燃烧时的火焰温度2660摄氏度，接近乙炔火焰的温度。在这样的高
温下，一般材料都将化为灰烬。那么，"阿特兰蒂斯"怎么会安然无恙呢？原来，它的外部
穿着一种特殊的"保护装"――隔热瓷瓦。有了它，航天飞机才能经受"酷热"的考验，潇洒
自如地上天落地。
    这种瓷瓦是用碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物等高温强度好、抗氧化、耐腐蚀、密
度大的陶瓷材料以及碳素纤维，采用火焰喷涂法、等离子体喷涂法或激光喷涂法等特殊工
艺方法制作的。
    高温陶瓷材料在军事上的用途非常广泛。一般来说，材料耐高温的性能越好，用它做
出来的发动机的水平也越高。根据理论计算，发动机的工作温度每提高100摄氏度，它的推
力增大15％。目前发动机燃烧室一般用镍基、钴基材料，压气机用钛合金，工作温度为95
0摄氏度到980摄氏度。现在试验用陶瓷做涡轮，不加冷却，工作温度就可达到1500摄氏度
到1600摄氏度。美国用氮化硅做成的发动机在每分钟5万转的转速下运转了200小时。日本
已研制成功全陶瓷发动机。
   陶瓷：意想不到的触发引信
   传统的陶瓷是良好的绝缘体，这是人所共知的。在现今社会里，凡是有电的地方，都可
以看到各种用传统陶瓷做成的绝缘体。由此，人们留下了错觉：陶瓷材料都是绝缘体。其
实不然！碳化硅及碳素制品就是良好的导体。在新型陶瓷材料中，不仅有良好的绝缘体，
也有电子导电体、离子导电体，还有半导体及其他导电材料。
    现代人类的生产和活动，经常需要能在高温条件下工作的导电体，如宇宙飞船的天线
、磁流体发动机的电极等。但是在高温条件下，最耐热的金属丝也将熔化。而耐高温的氧
化锆导电陶瓷的最高使用温度为2000摄氏度，氧化 导电陶瓷的最高使用温度达2500摄氏度
。近年来科学家们发现了一种新型、实用的导电陶瓷，使用温度达1800摄氏度，空气中的
使用寿命在1700小时以上，是目前最好的电热材料。
    人们在研制试验各种陶瓷时，发现半导体陶瓷作为气敏材料灵敏度非常高。半导体陶
瓷气敏材料在军事上有着极为广阔的应用前景，如对战场上的毒气进行检测，对飞机等的
管道气体泄漏进行监测等。
    还有一种压电陶瓷，它是一种可以使电能和机械能相互转换的特殊陶瓷材料。压电陶
瓷的用途之一是作为换能器。在军事上，有在空气中工作的传声器、耳机、扬声器即电视
遥控器等，在水中工作的超声波探伤仪、厚度计等。用于超声波频率的压电陶瓷换能器还
可以发射大功率的强力超声波，在军事上用于战场侦察和监视。压电陶瓷片还是一种理想
的高压电源，广泛用于炮弹、炸弹的点火、触发和引爆。 



陶瓷与发动机 结下了不解之缘 

    柴油机和燃汽轮机是当今主要的动力装置。随着高性能陶瓷及其制造工艺的提高和发
展，这两种发动机零部件所用材料将与高性能陶瓷有密切关系，将逐步用高性能陶瓷代替
金属，进而演变成新型的陶瓷发动机。
　　什么是陶瓷发动机，在传统柴油机或燃汽轮机用的金属零件中，铝合金的耐　温极限
为350℃，钢和铸铁的为450℃，最好的超级耐热合置又使发动机设计复杂化，增加重量和
耗费许多功率。长期以来，人们在寻用一种理想的材料来代替发动机用的金属材料。
　　发动机用材料的重大改革则是用高性能陶瓷零件逐步代替金属零件，直至发动机的主
要零件，这就是人们说的陶瓷 发动机。
　　高性能陶瓷有许多优于金属的貹能，例如耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻和隔热性
能好，这些特殊性能可使 传统发动机面临的热效率低和结构复杂等许多难题得到合理的解
决，并提高发动机的性能和耐久性。因此，有专家认为，高性 能陶瓷是内燃机发明以以来
最鼓舞人心的新发展，它将最终解决发动机要在苛刻环境下工作的问题。21世纪，将会出
现许多 陶瓷发动机。最初，人们研究和使有的是陶瓷涂层和单一整体陶瓷制的发动机零件
。陶瓷涂层技术成熟、成本低、寿命较高 ，采用等离子喷覆二氧化锆、碳化钛和二氧化钛
等陶瓷，获得1毫米以内的耐　久涂层。为了解决陶瓷涂层太薄的问题，人们 研究用二氧
化锆、氮化硅、碳化硅和钛酸铝制造动机的整体陶瓷零件。此外，还研究了玻璃陶瓷、氧
化铝等整体陶瓷件。
　　陶瓷在燃气轮机中的应用　燃气能机提高性能的关鍵是寻能耐1316℃以上温度的高温
材料。而且，温度每提高100℃，燃油消耗率可下降约20克。因此，耐高温陶瓷是被选择的
理想材料。
　　70年代以来，相继的投入巨资研究燃气轮中应用陶瓷问题。他们将燃烧室、叶片、涡
轮等采用耐热合金零件，都改用　 陶瓷进行了试验研究。美国福特公司于1971年开始研制
一种可用　于坦克和民用　车辆的不怜却陶瓷燃气轮机。其燃烧室、 涡转子和架回热器等
全部高温零件都采用氮化硅的碳的碳化硅等陶瓷材料制成。这些零件在1200－1370℃下成
功地经受了 200小时的台架试验，还经历了公路行车试验。　 　　　目前，西方发达国家
，已用掺氧化钇、含30％碳化硅晶须的氮化硅复合材料生产燃气轮气中，一些零件已采用
陶瓷 或陶瓷涂层。通过电气公司研制的美国第二代燃气轮机，也已考虑在叶片上喷叶陶瓷
。
　　陶瓷在柴油机中的应用
　　陶瓷在柴油机中的应用研究主要体现在2方面。一方面是，利用陶瓷耐高温、耐磨损、
耐腐蚀和重量轻等性能特点，主要在民用机中用陶瓷零件代替金属零件、获得优于金属零
件的性能。日本在这方面的成效较在，它研究了在量的陶瓷部件，已投产和使用的有：涡
轮增压器转子、电热塞、摇臂镶块、排气中内衬、预燃烧室镶块、氧化铝纤维强化的铝連
杆以及陶 瓷纤维强化的铝合金活塞等。德国某公司采用氮化硅活塞销，简化了活塞设计，
降低了成本。
　　另一方面是，在气缸套、活塞、缸盖以及进、排气门等零件上采用整体或陶瓷涂层，
利用　其耐高温与隔热性能以及其它 隔热技术设计成低散热陶瓷柴油机，这种油机通过采
用取隔热　措施来降低损失，使用多热能转换成有效功。西方发达国家 的5吨卡车和3种民
用车辆已使用此类柴油机。而在汽车柴油机方面，美国应用　了隔热陶瓷涂层。
　　低散热陶瓷发动机在军用领域，尤其是在坦克和装甲战车中的应用，具有重要的意和
广阔的前景。现用　的坦克发动机， 无论是高增压柴油机或超高增压柴油机，还是气轮中
，都难于同时滿足单位体积功率大、高可靠性，可使有性、可维护性 以及耗油率低等多方
　面对现代坦克动力装置和要求。而低散热柴油机采用减少或取消冷却系统、但保持较高
工作温度的设计方案，可较合理地满足上述要求。
　　　减少或取消冷却系统带来的好处是：
　　　（1）取消冷却系统，可使柴油机体积减少40%以上。柴油机体积减少使全车重量降
低，从而提高了单位体积功率，单位功率和机动性。
　　 （2）军用车辆50%的故障同冷却系统有关，减少或取消冷却意味着提高发动机的可靠
性、可使用　性、可维护性和耐久性。
　　　（3）在坦克中，冷却所需功能消耗掉总燃油的10%－15%，减少或取消支冷却系统将
降低坦克的燃油消耗。坦克采用 低散热柴油机预计可降低5%－10%的耗油率，这将增加车
辆的行程和减轻后勤供油的负担。
　　　（4）使车辆的整体设计具有较大灵活性，功获得装甲覆盖少、重量轻、尽寸小和生
存能力较强的新设计方案。西方发达国家为下一代战坦克研制了以XAV－28型低散热柴油机
为动力的XAP－1000整体式推进系统。该机采用陶瓷涂层 与空气隙隔热，用耐磨涂层和高
耐热合金制高温零件，在高耐热合金活塞顶和合金铸铁缸盖上涂覆陶瓷涂层，在合金铸铁
气缸内表面涂覆耐磨涂层。在铝活塞环上涂覆耐热涂层，使用一种润滑油在某些部位进行
最小限度的高温冷却 XAV－28柴油机已进行装车试验。与M1主战坦克的燃气轮机相比，它
的耗油率、体积和维修费这3项指标都　减少50%，超过了寻该国先进的整体式推进系统规
定的要求。 　　
     此外，西方发达国家还研制了5吨汽车用的不冷却发动机发及可供M2步兵车和M109自
行火炮等使用的AA750型涡 轮复合柴油机。所用的不冷却发动机在主要高温零件上采用二
氧化锆涂层隔热，同水冷柴油机相比，大大减少了零件 、体积、重量、冷却水，并降低了
耗油率。而在AA750机内则采用了整体陶瓷的陶瓷涂层隔热，气缸盖底面和活塞顶用部分稳
定氧气锆隔热，气缸内表面采有二氧化铬复合涂层，进排气中采用整体浇铸钛酸铝隔热，
在增压器中采用氮化硅转子和轴承。　
　　另外，德国某公司在为"豹"Ⅲ坦克研制的MT800系列柴油机中，采用了气隙技术和陶瓷
涂层隔热。
 


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