第9部分境材料與材料的長(zhǎng)壽命化

1、第9章 環(huán)境材料與環(huán)境材料與材料的長(zhǎng)壽命化材料的長(zhǎng)壽命化 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院張劍波北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院第第9章章 環(huán)境材料與環(huán)境材料與材料的長(zhǎng)壽命化材料的長(zhǎng)壽命化 n保證材料在使用時(shí)所必須具備的使用性能的前提下，盡可能地延長(zhǎng)材料及相關(guān)制品壽命是環(huán)境材料研究的另一個(gè)重要方面。n消費(fèi)品的長(zhǎng)壽命化是減輕環(huán)境負(fù)荷的重要手段。材料的再生循環(huán)是為了將有限的資源在盡可能長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有效利用的一種手段。為了將資源長(zhǎng)期、充分地使用，不僅可通過(guò)提高材料的再生循環(huán)性，也可以通過(guò)延長(zhǎng)材料壽命得以實(shí)現(xiàn)。n從發(fā)電設(shè)備和化學(xué)設(shè)備等大規(guī)模的設(shè)施到汽車和家電產(chǎn)品等大量耐用消費(fèi)品的長(zhǎng)壽命化，對(duì)于減輕環(huán)境負(fù)荷都有很大的貢

2、獻(xiàn)。n延長(zhǎng)材料使用壽命、實(shí)行減量化是解決環(huán)境問(wèn)題的重要手段，把握好延長(zhǎng)壽命與再生利用設(shè)計(jì)之間的度，二者不可偏廢。 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院9.1 金屬材料金屬材料n9.1.1 金屬材料的高溫強(qiáng)度特性金屬材料的高溫強(qiáng)度特性n構(gòu)成發(fā)電設(shè)備、化學(xué)設(shè)備和運(yùn)輸機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的材料,由于在高溫下使用，會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。n蠕變是在高溫條件下，材料在一定的外力作用下會(huì)隨時(shí)間的推移慢慢地產(chǎn)生變形，直至最后發(fā)生斷裂的一種現(xiàn)象。n蠕變強(qiáng)度高的材料，在相同的溫度和應(yīng)力條件下，具有較長(zhǎng)的蠕變斷裂壽命。 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院對(duì)高溫耐熱合金材料的需求n現(xiàn)有的火力發(fā)電設(shè)備，一般發(fā)電效率充其量不過(guò)40%左右。

3、為了提高發(fā)電效率，就要開發(fā)可在更高的蒸汽壓力和溫度條件下服役的耐熱金屬材料；即在超高溫臨界壓力發(fā)電，效率就會(huì)提高。n以往，通過(guò)添加各種合金元素，調(diào)整化學(xué)成分和通過(guò)熱處理控制微觀組織形態(tài)，開發(fā)出了多種具有優(yōu)異蠕變性能的高溫耐熱合金材料。n開發(fā)出長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、維持優(yōu)良高溫強(qiáng)度特性的材料，就可能建造發(fā)電效率高，使用壽命長(zhǎng)的發(fā)電設(shè)備。類似的做法也可以適用于其它許多領(lǐng)域，比如開發(fā)出比強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的材料，可實(shí)現(xiàn)汽車的低油耗和長(zhǎng)壽命。n長(zhǎng)壽命的材料不僅通過(guò)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命減輕環(huán)境負(fù)荷，而且在運(yùn)行本身可提高產(chǎn)品的效率，從而節(jié)約能源、減少排放，減輕環(huán)境負(fù)荷，是與環(huán)境材料的概念完全一致的。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院高溫

4、耐熱合金的兩條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：n第一，對(duì)于實(shí)用耐熱鋼基體蠕變強(qiáng)度即可滿足使用要求的構(gòu)件，在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)，只添加為了發(fā)揮基體蠕變強(qiáng)度所需的最低限度的合金元素，此即所謂合金化概念；n第二，對(duì)于要求高于基本蠕變強(qiáng)度水平以上的高強(qiáng)度構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)，不僅要考慮短時(shí)蠕變強(qiáng)度特性，而且還要在著眼于獲得長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度穩(wěn)定性的同時(shí)，從材料高強(qiáng)度化所引起的環(huán)境負(fù)荷增大及由于使用材料時(shí)提高效率、延長(zhǎng)使用壽命帶來(lái)的環(huán)境負(fù)荷減輕這兩方面的效應(yīng)是否平衡的觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。n實(shí)際開發(fā)材料時(shí)，不僅要考慮蠕變強(qiáng)度特性，而且必須考慮抗氧化性、焊接性等多種材料特性，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)但為了改善材料的環(huán)境性能，必須將上述合金化的概念和準(zhǔn)則以及重視材料

5、長(zhǎng)期穩(wěn)定性的這種觀點(diǎn)積極地引入到材料設(shè)計(jì)之中，以此為指導(dǎo)思想就可以推進(jìn)傳統(tǒng)材料的環(huán)境材料化。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.1.2通過(guò)省合金化設(shè)計(jì)通過(guò)省合金化設(shè)計(jì)改善環(huán)境平衡改善環(huán)境平衡n省合金化：即只添加為了發(fā)揮基體蠕變強(qiáng)度所需的、最低限度的合金元素。n在高應(yīng)力區(qū)，數(shù)據(jù)分布范圍寬，依鋼種不同，蠕變斷裂強(qiáng)度相差很大，最強(qiáng)的鋼和最弱的鋼的蠕變壽命相差達(dá)數(shù)萬(wàn)倍。其說(shuō)明通過(guò)添加合金元素和熱處理等，可以大幅度改變?nèi)渥儚?qiáng)度。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院省合金化設(shè)計(jì)省合金化設(shè)計(jì)n但在低應(yīng)力區(qū)，所有的數(shù)據(jù)收斂于狹窄的范圍內(nèi)，表明鋼種間的蠕變強(qiáng)度差有減小的傾向。即在相當(dāng)于設(shè)備實(shí)際服役條件，即低應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間條件下，鋼

6、種間的差別是沒(méi)有高應(yīng)力短時(shí)間那么大，這種現(xiàn)象是“省合金化”的基礎(chǔ)。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院省合金化設(shè)計(jì)省合金化設(shè)計(jì)n在短時(shí)間，高應(yīng)力下，蠕變強(qiáng)度因鋼種不同有較大差異，添加合金元素和控制微觀組織形態(tài)可提高蠕變強(qiáng)度；n但由于微觀組織在高溫下不穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其組織形態(tài)逐漸變化，從而引起蠕變強(qiáng)度的降低。蠕變強(qiáng)度大的鋼種之間的差別，隨著向長(zhǎng)時(shí)間一側(cè)的推移而縮小。n當(dāng)在高溫條件下很長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，蠕變強(qiáng)度最終將不再取決于材料的微觀組織形態(tài)，而達(dá)到一定的水平。這就是決定材料長(zhǎng)時(shí)間蠕變強(qiáng)度的本征強(qiáng)度特征，即“基體蠕變強(qiáng)度”（其與微觀組織形態(tài)無(wú)關(guān)）。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院省合金化設(shè)計(jì)省合金化設(shè)計(jì)n基體蠕變強(qiáng)度相當(dāng)于母相

7、（matrix）的蠕變強(qiáng)度，其大小取決于碳、鉬等元素引起的固溶強(qiáng)化程度，由于固溶強(qiáng)化效應(yīng)有一定的限度，即基體蠕變強(qiáng)度有一個(gè)極大值。所以長(zhǎng)時(shí)間一側(cè)的蠕變斷裂強(qiáng)度不論鋼種如何，都收斂于同等水平。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.2 陶瓷材料陶瓷材料n9.2.1 具有豐富資源的陶瓷材料具有豐富資源的陶瓷材料n陶瓷是地球表面含量豐富的硅、鋁、鎂等元素的氧化物、碳化物、氮化物，受資源制約小，與金屬和高分子材料相比，其化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在高溫和腐蝕極限環(huán)境中也可以保證部件的長(zhǎng)壽命。n陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)等特點(diǎn)，作為耐熱結(jié)構(gòu)材料而被廣泛使用。如：汽車渦輪充電器，用氮化硅制作的部件在80年代中期就有使用。還有汽車

8、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電用陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)研究正向?qū)嵱没l(fā)展。由于發(fā)電站及飛機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率隨燃燒溫度的上升而提高，因此為燃燒溫度為15000c級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)或燃燒溫度20000c級(jí)的燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，需要開發(fā)超高溫材料。n但陶瓷材料的弱點(diǎn)是：強(qiáng)度差易碎，為設(shè)計(jì)出長(zhǎng)壽命的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，我們有必要了解影響其機(jī)械性能的幾個(gè)因素：（1）抗氧化性（2）晶界滑移和氣孔（3）斷裂韌性。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.2.2 抗氧化性能的提高抗氧化性能的提高n固體的熱力學(xué)穩(wěn)定性決定物質(zhì)的極限使用溫度，zro2的臨界溫度是2500，al2o3是2072。氮化硅沒(méi)有氧化物穩(wěn)定，在大氣中從表面開始發(fā)生氧化反應(yīng)：n 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院抗氧

9、化性抗氧化性n在氮化硅晶界上有一層薄的氮氧化物玻璃相，它是氧化反應(yīng)向燒結(jié)體內(nèi)部擴(kuò)散氧的通道（導(dǎo)致向內(nèi)部氧化擴(kuò)散），并且玻璃相自身蒸發(fā)會(huì)引起沿晶界的龜裂。n如果能通過(guò)控制組分提高氮氧化物玻璃相的抗氧化能力，那么氮化硅的理論耐熱臨界溫度可達(dá)到1500的水平。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院抗氧化性抗氧化性n氮化硅由于氧化，在表面形成一層sio2薄膜，起到阻止進(jìn)一步氧化的保護(hù)膜的作用。n但在1600以上時(shí)，由于釋放co氣體的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致sio膜發(fā)泡而使保護(hù)層破壞，從而加速氧化過(guò)程的進(jìn)行。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.2.3 晶界遷移和空洞晶界遷移和空洞n在高溫、應(yīng)力條件下，多晶體由于晶界遷移而產(chǎn)生空洞。

10、n隨著晶界遷移，在三叉晶界處發(fā)生應(yīng)力集中，由此產(chǎn)生空洞的核心，而空洞的連結(jié)則導(dǎo)致微裂紋生長(zhǎng)，主裂紋與裂紋前沿的微裂紋的連結(jié)導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院晶界遷移和空洞晶界遷移和空洞n陶瓷在高溫、高壓下的緩慢破斷，可以用內(nèi)部裂紋的緩慢生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)明。n裂紋擴(kuò)散速度（v）和應(yīng)力強(qiáng)度因子（kl）有下列關(guān)系：nv=aknl， 式中n是指數(shù)。當(dāng)達(dá)到產(chǎn)生裂紋的臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí)，將發(fā)生斷裂。斷裂所需要的時(shí)間可以通過(guò)這個(gè)基本公式計(jì)算，進(jìn)行部件的壽命預(yù)測(cè)。另一方面。在更高溫度、更低應(yīng)力下的破壞一般認(rèn)為受空洞產(chǎn)生的內(nèi)損傷積累的控制，而內(nèi)在裂紋的擴(kuò)展則是相對(duì)次要的原因。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院晶界遷移和

11、空洞晶界遷移和空洞n金屬材料和陶瓷高溫?cái)嗔褭C(jī)理的重要區(qū)別在于，伴隨空洞生長(zhǎng)而引起的周圍晶體的變形機(jī)制不同。在金屬當(dāng)中，通過(guò)位錯(cuò)攀移引起晶粒變形，可以調(diào)節(jié)空洞的長(zhǎng)大，因此空洞生長(zhǎng)和母體材料的蠕變有關(guān)。n斷裂壽命（tf）與最小蠕變速度（）之間遵從monkman-grant法則，即 tf=mg 式中mg是臨界應(yīng)變。與金屬相比，陶瓷中晶粒自身難以變形，但單軸拉伸試驗(yàn)獲得的蠕變斷裂數(shù)據(jù)表明，氮化硅的斷裂壽命也可以用monkman-grant法則很好地描述。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院晶界遷移和空洞晶界遷移和空洞n由于原料中含有微量氧化硅和金屬雜質(zhì)，在多數(shù)陶瓷的晶界上存在著厚約1nm的玻璃相。n比如氮化硅，當(dāng)作為燒結(jié)

12、助劑添加金屬氧化物時(shí)，工藝過(guò)程中殘留的玻璃相將聚集于三叉晶界處。 n陶瓷的高溫機(jī)械性能與時(shí)間有關(guān)并受玻璃相的粘度控制，而玻璃相的粘度隨玻璃相的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。n作為燒結(jié)助劑添加劑的稀土元素離子半徑越小，則氮化硅的高溫強(qiáng)度越高。之所以如此，是因?yàn)椴Ａ嘀械南⊥猎仉x子和氧離子的結(jié)合強(qiáng)度與離子周圍的電場(chǎng)梯度有關(guān)，從而提高了玻璃相的耐熱性能。另外，通過(guò)熱處理使晶界玻璃相晶體化，是提高陶瓷高溫強(qiáng)度的有效方法。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.2.4 斷裂韌性的提高斷裂韌性的提高n在普通的鑄造合金中，很難避免多晶晶界和空洞導(dǎo)致的高溫強(qiáng)度下降。為了減少有害的晶界，開發(fā)了用定向結(jié)晶控制合金和單晶合金制造的渦

13、輪葉片。n如果陶瓷也能制造出單晶部件，一定會(huì)發(fā)揮出更優(yōu)異的高溫特性。然而，陶瓷單晶在室溫時(shí)承受解離斷裂破壞的能力弱是一個(gè)問(wèn)題。n作為工業(yè)材料的結(jié)構(gòu)陶瓷，其最大的課題是提高室溫?cái)嗔秧g性。與陶瓷同樣存在脆性問(wèn)題的金屬間化合物，通過(guò)添加微量元素控制晶界的電子結(jié)構(gòu)以克服晶界脆性，改善其室溫延性。作為陶瓷弱點(diǎn)的解離脆性，其本質(zhì)源于原子間的結(jié)合，解決起來(lái)更加困難。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院斷裂韌性的提高斷裂韌性的提高n提高陶瓷韌性的實(shí)際方法是通過(guò)控制多晶體的界面結(jié)合力以追求強(qiáng)韌性，為此可采取的微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)例舉如下：na. 自生in-site復(fù)合材料；nb. 長(zhǎng)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料；nc. 納米復(fù)合材料。n使長(zhǎng)柱狀-氮

14、化硅晶粒在氧化硅基體中長(zhǎng)大的自生復(fù)合材料，其強(qiáng)度和韌性都比原來(lái)的材料成倍增加。作為提高韌性的途徑，長(zhǎng)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料是很有希望的，人們希望開發(fā)出以氮化硅、碳化硅為基體的、性能更加優(yōu)異的長(zhǎng)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。n如果能實(shí)現(xiàn)陶瓷的長(zhǎng)壽命化，則可以供幾代人使用的超高溫燃?xì)廨啓C(jī)也不再是個(gè)夢(mèng)想了。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.3 陶瓷涂層陶瓷涂層n近年來(lái)，人們?cè)噲D通過(guò)開發(fā)耐熱材料等途徑實(shí)現(xiàn)機(jī)器的長(zhǎng)壽命和高性能化，以謀求節(jié)省能源，節(jié)省資源。隨著能源產(chǎn)業(yè)、宇航行業(yè)等日趨高溫化的趨勢(shì)，從耐熱性、耐高溫腐蝕性、耐高溫摩擦性等方面，對(duì)開發(fā)新型耐熱材料提出了更為迫切的要求。n作為結(jié)構(gòu)材料所要求的主要性能有強(qiáng)度、彈性、斷裂韌性等

15、；從有效利用能源考慮，還要求優(yōu)異的耐熱性能。n一般來(lái)講，金屬材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能，而將耐熱性好的陶瓷作為結(jié)構(gòu)部件材料的研究現(xiàn)在很盛行。但陶瓷存在成本高、缺乏延展性、脆性大以及機(jī)械性能分散大等問(wèn)題。n 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院陶瓷涂層陶瓷涂層n由于單一材料不能同時(shí)滿足機(jī)械性能和耐熱性能兩方面的要求，所以靈活運(yùn)用金屬材料和陶瓷材料特性的復(fù)合材料得到人們重視。n為提高材料的耐熱性、耐蝕性和耐磨性等性能，人們嘗試開發(fā)在機(jī)械性能優(yōu)良的金屬材料表面涂覆一層耐熱性能優(yōu)異的陶瓷材料的復(fù)合技術(shù)（陶瓷涂層）。如在燃煤鍋爐和加壓沸騰層鍋爐的傳熱管陶瓷涂層以及噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱涂層。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.3.1 鍋爐傳熱管陶

16、瓷涂層鍋爐傳熱管陶瓷涂層n1）燃煤鍋爐）燃煤鍋爐n燃煤鍋爐的傳熱管一般要受到燃燒灰分造成的沖蝕等損傷。對(duì)于專燒煤粉的鍋爐，為了除去附著在爐壁上的灰燼，要安裝向爐壁表面噴吹蒸汽的設(shè)備（soot blower），為此，其附近的環(huán)壁管，由于要受到含有燃燒灰燼（由碳、氧化鋁、氧化硅等構(gòu)成）的蒸汽的強(qiáng)烈磨損，可在環(huán)壁管的表面噴鍍一層陶瓷涂層，以提高其耐磨性。n在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鼓風(fēng)沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)。在噴射壓力為5kg/cm2，噴射角90度，噴射距離100mm的條件下，向經(jīng)過(guò)不同噴鍍的平板試片表面噴射al2o3粉末（平均粒徑100um）30min 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院燃煤鍋爐燃煤鍋爐n由結(jié)果

17、可見(jiàn)，由高速氣流火焰噴射（jet kote）的碳化鉻（cr3c2/nicr）噴鍍膜的磨蝕性能最好。在考慮磨損性能的同時(shí)，也還要考慮工藝性、高溫組織穩(wěn)定性、抗剝離性等。n作為選擇，用碳化鉻為噴射原料的高速火焰噴鍍最實(shí)用。對(duì)運(yùn)行了約兩年的噴鍍部件的調(diào)查表明，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)剝落和破裂現(xiàn)象，顯示了良好的磨損特性。因?yàn)橛锰沾赏繉咏档土藳_蝕磨損，在提高環(huán)壁管使用壽命的同時(shí)，也減少了定期修補(bǔ)的工作量。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院2）加壓沸騰層鍋爐）加壓沸騰層鍋爐n加壓沸騰層鍋爐被用于燒煤的加壓沸騰層發(fā)電系統(tǒng)中，其發(fā)電效率可達(dá)42%43%，比以前燒煤的火力發(fā)電系統(tǒng)提高約8%10%。n另外，由于把石灰石作為脫硫劑投入爐內(nèi)，在燃燒

18、的同時(shí)由于層內(nèi)脫硫而提高了脫硫率，同時(shí)降低了nox的生成，co2的排放量也隨著設(shè)備效率的提高比以往的燃燒方式減少約10%。這是一種高效率、環(huán)境負(fù)荷低的新型發(fā)電系統(tǒng)。n由于底料中的二氧化硅、氧化鋁等硬而細(xì)的離子群的碰撞以及高溫燃?xì)獾淖饔茫斐煞序v層內(nèi)的蒸發(fā)管、過(guò)熱管等沖蝕和高溫腐蝕現(xiàn)象，從而產(chǎn)生復(fù)雜的高溫腐蝕磨損。n鍍層磨損實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在約500以下，磨損速度大，這主要是沖蝕磨損的作用；溫度更高時(shí)，在9crlmo鋼和奧氏體不銹鋼的表層形成氧化物保護(hù)膜，從而對(duì)沖蝕產(chǎn)生保護(hù)效應(yīng)。也就是說(shuō)，高溫條件的損傷壽命取決于由沖蝕引起的失重速度和高溫氧化物鈍化膜形成速度之間相對(duì)關(guān)系的大小。n 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)

19、院加壓沸騰層鍋爐加壓沸騰層鍋爐n實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在500以上使用的過(guò)熱管等通過(guò)氧化物膜效應(yīng)可以防止沖蝕損傷，蒸發(fā)管的金屬溫度在300500時(shí)，不大能期望形成氧化物膜帶來(lái)的保護(hù)效應(yīng)。n 作為改善蒸發(fā)管高溫腐蝕磨損性能的對(duì)策，管材本身采用耐高溫磨損性好的cr13鋼并進(jìn)行熱噴鍍，用自溶性合金噴鍍、碳化鉻等陶瓷噴鍍是適宜的。n目前存在的問(wèn)題是：金屬與陶瓷間的變形性質(zhì)不同，因此，陶瓷涂層開始工作和停止工作時(shí)會(huì)由于熱應(yīng)變和機(jī)械應(yīng)變而引起陶瓷涂層開裂，以此為誘因?qū)е虏牧系膹?qiáng)度降低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)涂噴陶瓷的試片，其疲勞壽命比未噴涂的縮短了許多，而且隨著總應(yīng)變范圍的提高，陶瓷層產(chǎn)生裂紋的時(shí)間也變短了。疲勞

20、初期，首先在陶瓷涂層內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并逐漸從陶瓷層傳播到基體材料，從而使疲勞壽命降低。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.3.2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷涂層飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷涂層n飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間使用后，其部件性能要降低。從表面改性技術(shù)的角度出發(fā)，噴涂能提高部件的性能，并防止其退化。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的陶瓷涂層，從其功能來(lái)講大致可分為以下幾種：耐磨涂層、絕熱涂層和間隙控制密封涂層。n1)耐磨涂層耐磨涂層n在用鈦合金制作的壓縮機(jī)葉片中，一般裝有防止共振的中間索與相鄰的機(jī)翼相連接，在飛行時(shí)因?yàn)槠湔媸艿浇蛔兊臎_擊負(fù)荷，因此要求耐磨損及韌性好的保護(hù)膜。作為耐磨涂層，噴涂的是金屬陶瓷系的wcco系材料。wcco涂層是在粘結(jié)材料c

21、o中彌散分布wc硬質(zhì)粒子的薄膜，在4000c以下較低的溫度區(qū)域，其耐磨損性能非常好。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院耐磨涂層耐磨涂層n磨損一般是柔軟的co基體發(fā)生選擇性損傷而產(chǎn)生凹陷，由此造成突起的wc硬質(zhì)粒子分離脫落而產(chǎn)生剝離的過(guò)程。因此，涂層微觀組織形態(tài)的控制是很重要的。nwc在噴涂時(shí)產(chǎn)生的分解，在噴涂過(guò)程形成wc、w2c、wc1-x等亞層，這種組織變化對(duì)耐磨性有很大的影響。在普通的等離子噴涂中，不能得到十分滿意的涂層，為了控制wc熱分解相變，采取低溫?zé)嵩聪碌母咚賴娡枯^為合適。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院2)絕熱涂層絕熱涂層nni合金和co合金hs-188等用于制造燃燒器，為了在提高燃燒溫度的同時(shí)，相應(yīng)地提高起耐久性

22、，在襯套內(nèi)壁噴涂一層絕熱層（tbc）。ntbc要求的特性如下：n(1)熱導(dǎo)系數(shù)?。?2)粘著系數(shù)高，對(duì)熱應(yīng)力造成的剝離與沖蝕具有足夠的粘著力；(3)基體材料與陶瓷涂層的熱膨脹性質(zhì)接近；(4)噴涂底層中的金屬成分具有高的抗氧化、耐腐蝕能力。n 當(dāng)噴涂了陶瓷那樣具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料時(shí)，由于絕熱效應(yīng)而使表面溫度迅速降低，期望以0.20.3mm厚度達(dá)到使表面溫度降低100150的效果。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院絕熱涂層絕熱涂層n作為對(duì)燃燒器的tbc涂層，最初采用的是三層涂層，底層噴涂的是nicr或nial系合金，外層噴涂的是mgo.zro2陶瓷；中間過(guò)度層是外層與地層的混合材料。然而這種方式存在由于中間過(guò)度層的

23、氧化而引起剝落的問(wèn)題。n后來(lái)采用了梯度涂層，使涂層材料的組成逐漸地由底層的cocraly向外表層的mgo.zro2變化。這種涂層的耐熱性比上述三層涂層有所改善，但在11000c以上，cocraly在耐蝕、抗氧化性方面尚有一些問(wèn)題。n最近，采用二層涂層，將底層材料改為耐蝕、抗氧化性更好的nicocraly，外層材料也改為耐熱疲勞性能更好的zro2y2o3。這樣在使用過(guò)程中，在底層nicocraly 與zro2y2o3的界面處形成了耐蝕及耐氧化性好的al2o3 氧化膜。 n從作為環(huán)境材料的觀點(diǎn)來(lái)看，由于應(yīng)用tbc系統(tǒng)，即采用陶瓷這種熱導(dǎo)系數(shù)低的材料作涂層，就可以有效地利用燃燒能。再者，關(guān)于燃燒器，

24、當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)間達(dá)到5000h進(jìn)行大修，如檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)已有部分剝離的情況，就可以將涂層全部剝下來(lái)，重新噴涂，這樣就可以節(jié)省基體材料。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院3）控制間隙的密封涂層）控制間隙的密封涂層n在轉(zhuǎn)子葉片的頂端部位噴涂研磨性能好的材料并與陶瓷密封裝置組合使用。在加工密封涂層時(shí)，在葉片頂端部位粘接sic粒子，再在其上用減壓等離子噴涂mcraly材料。n對(duì)于渦輪密封裝置，當(dāng)渦輪葉片頂端部位與密封裝置的間隙越小，則氣體的泄露越少，從而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。關(guān)于陶瓷密封裝置，為了減小基體材料與陶瓷之間膨脹性能的差異，已開發(fā)出了在基體上釬焊彈性模量較低的金屬纖維，再在上面噴涂金屬、陶瓷的密封裝置。這種裝置，使

25、用溫度可提高到1400。為了將噴涂底層充分結(jié)合到纖維內(nèi)部，不使纖維過(guò)熱氧化并能牢固地粘界接起來(lái)，可采用高速等離子噴涂mcraly的工藝。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院密封涂層密封涂層n根據(jù)環(huán)境材料的概念，從裝置材料長(zhǎng)壽命化以及減輕環(huán)境負(fù)荷的觀點(diǎn)，介紹了陶瓷涂層應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料的實(shí)例。n在實(shí)際應(yīng)用中，為了發(fā)揮所需要材料的特性和功能，必須從極力控制物質(zhì)的使用和能源消耗這一觀點(diǎn)出發(fā)。作為一種理想的陶瓷涂層材料，我們希望它盡可能價(jià)廉，對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)荷小，并且不采用稀有元素。使用時(shí)要有足夠的界面強(qiáng)度，使用結(jié)束時(shí)，可將涂層剝離、廢棄、而且母材還可照樣用來(lái)噴涂新的涂層以備再利用。n涂層界面剝離性能的問(wèn)題還是一個(gè)研究課題，剝

26、離性能因陶瓷涂層的工藝類型及陶瓷材料的種類而有所不同。還有，如何進(jìn)一步改進(jìn)剝離涂層方法的問(wèn)題也是一個(gè)要研究的課題。北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.3.3 陶瓷涂層環(huán)境材料化陶瓷涂層環(huán)境材料化n根據(jù)選擇材料和設(shè)計(jì)工藝所必需的基本原則以及生態(tài)環(huán)境材料的基本要求，除必須發(fā)揮所制備的材料的特性和功能外，還必須極力控制物質(zhì)的使用和能源消耗。因此，在研究中還需要開展很多的工作。比如：環(huán)境材料化的涂層材料設(shè)計(jì)；陶瓷涂層的原料、工藝、使用以及直到廢棄全過(guò)程的環(huán)境影響分析；進(jìn)行環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)或定量化的指標(biāo)分析等等。n作為一種理想的陶程涂層材料，應(yīng)該盡可能價(jià)廉，對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)荷小，并且不采用稀有元素；在考慮材料的再生循環(huán)時(shí)，

27、在使用時(shí)要有足夠的界面強(qiáng)度；使用結(jié)束時(shí)，可將涂層剝離、廢棄，而且母材還可照樣用來(lái)噴涂新的涂層以備再利用這些都是陶瓷涂層環(huán)境材料化應(yīng)用與研究的課題。 北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院9.3.4長(zhǎng)壽命高分子材料長(zhǎng)壽命高分子材料n降解高分子材料的開發(fā)是未來(lái)高分子材料重要研究?jī)?nèi)容之一，但應(yīng)根據(jù)用途和是否對(duì)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響進(jìn)行綜合研究。n過(guò)分追求地膜和薄膜及包裝材料的降解是否可取也有異議。有的學(xué)者指出：n可降解高分子在整個(gè)高分子材料中所占比例小。n高分子的降解分為部分化學(xué)鍵斷裂成為短鏈和全部鍵斷裂成為單體分子（co2或ch4或h2o）兩種。前者只是分子量降低，進(jìn)一步自然降解困難，在環(huán)境中停留時(shí)間長(zhǎng)；后者可直接回歸大自然。現(xiàn)有光降解技術(shù)和生物