盤點陶瓷在航空航天中的應用-山東埃爾派粉體科技超微粉碎設備

　　北京時間11月24日凌晨4時30分21秒，嫦娥五號月球探測器在海南文昌航天發射場成功發射。嫦娥五號是探月工程三期的主任務，將實現我國首次月面采樣返回，完成探月工程三步走目標之“回”的關鍵一步，推動月球探測科學技術的重大跨越。

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

　　大家都知道，航空航天領域對材料性能的要求十分苛刻，先進陶瓷因具有高溫強度、良好的斷裂韌性、高硬度、高介電強度、出色耐熱沖擊性和摩擦學性能，應用于航空航天是一個很好的選擇，能確保優異的機械可靠性、耐熱性和耐磨性等，一直以來得到極大的關注。

　　首先我們來了解一下陶瓷在我國航空航天領域的幾個應用案例。

應用案例

　　玉兔號超聲電機用壓電陶瓷

　　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”就能對月球表面進行成像與成分分析。誰來控制它“眨眼”?是一個高性能超聲電機。

　　這是我國首次將該技術用于航天工程。超聲電機身材小，卻本領十足。它重量只有46克，約是同等傳統電機重量的1/10，且驅動簡單，響應時間只需幾個毫秒，低轉速能使相機蓋子的開合動作變得緩慢。壓電陶瓷是超聲電機的“心臟”，它保證了超聲電機電力強勁，并能經受月球大的溫差。而此次嫦娥五號正是應用了這種壓電陶瓷。

　　嫦娥三號光學望遠鏡用碳化硅陶瓷

　　在嫦娥三號月基光學望遠鏡中，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。該陶瓷材料質量輕、熱導率高，面型穩定性好，可在零下20攝氏度至40攝氏度的溫度下穩定工作，即使因熱脹冷縮引起的變形也微乎其微，這為望遠鏡的成像質量提供了保證。

　　紅外成像光譜儀用二氧化碲聲光晶體

　　在嫦娥五號以及之前的嫦娥三號探測器玉兔”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家生長“秘笈”研制的2塊大尺寸優質二氧化碲聲光晶體，使光譜儀的光譜范圍和質量控制都優于國外同類產品。

　　天宮二號用納米陶瓷鋁合金

　　由上海交通大學研制的納米陶瓷鋁合金將陶瓷和鋁結合起來，兼具了兩者的優點，強度和剛度甚至超過了“太空金屬”鈦合金。據了解，該材料已經用于天宮一號、天宮二號、量子衛星、氣象衛星等關鍵部件翱翔于太空。

　　神舟五號用陶瓷基板

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

陶瓷在航空航天領域的主要應用

　　航空發動機

　　所有的發動機都是基于卡諾循環的原理，也就是說燃氣溫度越高效率越高。這就需要提高航空發動機的推重比和降低燃料消耗, 而提高發動機的渦輪前溫度是關鍵。因此高溫結構陶瓷及其陶瓷基復合材料的研究成為高推重比航空發動機的關鍵技術之一。

　　陶瓷軸承

　　陶瓷軸承是在航空航天產業中使用較為廣泛的一種產品，具有耐高溫、耐寒、耐磨、耐腐蝕、抗磁電絕緣、高轉速等特性。陶瓷軸承針對航空航天工業中惡劣環境下的調整、重載、低溫、無潤滑工況而開發，是新材料、新工藝、新結構的完美結合。

　　紅外偽裝隱身材料

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

　　此外，在發動機中采用陶瓷部件的話，發熱量降低，抑制了紅外輻射的發射，也能起到紅外隱身功能。

　　天線罩透波材料

　　航天透波材料(天線罩)是為了保護航天飛行器在惡劣環境氣候條件下，通訊、遙測、引爆、制導等相關系統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和介電損耗，密度低，隔熱性能良好，強度適合，使用壽命也很長，同時在單位厚度上對雷達波的吸收率相對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良的應用潛力。

　　衛星用電池

　　要想盡可能的延長衛星電池的使用壽命，必須使用陶瓷隔膜材料。陶瓷隔膜是采用稀土等復合材料經真空細密混合成型，然后高溫燒結而成，能耐強酸、強堿，在鉻酸槽液中不溶解。

　　飛機剎車盤及火箭發動機防氧化陶瓷涂層

　　碳/碳復合材料由于其獨特的性能，已廣泛應用于航空航天領域，如火箭發動機噴管及其喉襯、飛機剎車盤等。但它有個致命缺陷，在溫度高于400℃的有氧環境中會發生氧化反應，導致材料的性能急劇下降。因此，碳/碳復合材料在高溫有氧環境下的應用必須進行有氧化防護措施。而憑借出色的物理和化學穩定性，抗氧化陶瓷涂層應運而生。

　　陶瓷基板

　　在火箭突破大氣層時，會出現一個很大的外部摩擦力，從而影響內部的各種傳感器，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，還會產生大量的熱。在壓力傳感器中，其精度是非常重要的，如果內部電路板因外力受損，那這個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，根本不會出現損壞。

　　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展，對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。

　　紅外系統護窗

　　這種陶瓷由氧化釔和氧化鎂構成，由俄羅斯遠東聯邦大學的青年學者及俄羅斯科學院遠東分院化學研究所、烏克蘭國家科學院單晶研究所、中國科學院上海硅酸鹽研究所的專家們共同發明。據稱，該材料可用來制造航空航天設備的紅外系統護窗，可透過70%以上的6000納米以下紅外區光線。

　　直升機裝甲

　　考慮到武裝直升機在設計中重點強調戰場生存能力，在座椅和直升機的關鍵部位采用了陶瓷復合輕質裝甲材料，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“米-28”在機身以及座艙外都大膽的使用特種陶瓷作為防護材料，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部，而外部則使用了大量的特種陶瓷。

參考來源：

　　[1] 十余種獨家“秘制”讓嫦娥不懼“冰火”.中國科學報

　　[2] 嫦娥三號最新消息：中科院研發十多種材料制"外衣"助"玉兔"信步廣寒.文匯報

　　[3] 盤它!嫦娥五號上的“中科院出品”.中國科學報

　　[4]張立同.國外航空用陶瓷發展趨勢.西北工業大學