高级陶瓷的优缺点

尽管采用缓慢、大规模的应用，先进的陶瓷和陶瓷基复合材料在关键的航空航天和军事应用中找到了归宿。

今天的陶瓷与古代世界的窑炉相距甚远。陶瓷可以追溯到 24,000 年前。然而，它们的应用仍在不断发展，特别是在高性能军用和商用喷气发动机、导弹、航天器以及零部件和其他应用中，包括“装甲和耐磨部件的高硬度或耐火材料应用的耐高温”，根据机械设计。

无论是作为结构陶瓷还是作为陶瓷基复合材料的一部分，这种多功能材料正在帮助制造商提高喷气涡轮发动机的燃油效率，同时消除与传统发动机一样多的冷却需求。例如，GE Aviation 声称其 CMC 比金属轻三分之二，并且承载的温度能力提高了 20%。

Lux Research 的 Anthony Vicari 和 Anthony Schiavo 在一份机器设计的文章。

该行业的几家规模最大的参与者也已经发现了陶瓷在航空航天设计中的好处。据美国机械师称，自 1980 年代初以来，从通用电气到联合技术公司、赛峰集团、波音公司和劳斯莱斯公司，已授予 8,000 多项陶瓷航空航天设计专利。

先进陶瓷和陶瓷基复合材料：优劣

尽管有这些好处，但这并不一定意味着陶瓷是航空航天设计材料的万能材料。正如制造商还发现的那样，陶瓷在加工和成本方面存在挑战。

陶瓷具有丰富的隔热性能，与飞机涡轮机内的高温配合使用时，它们是一种有效的工具。它们还非常轻便且无腐蚀性，能够承受与喷气燃料的接触，并能够实现更快的速度和扩大太空领域。但成型和加工可能缓慢而艰巨。

Lux Research 指出：“当陶瓷确实失败时，它们会突然而灾难性地失败，而不是像金属一样优雅地失败。” “这不是唯一的限制：结构陶瓷具有极高的耐高温性，这意味着它们必须通过缓慢且耗能的固态方法进行加工。此外，致密化后的高硬度使加工陶瓷成型成为一项重大挑战。”

Lux Research 指出，为了应对灾难性失效，纤维增强材料用于帮助控制“裂纹在材料开始失效后通过基体和承载载荷的传播”，这使得 CMC 能够“逐渐失效，更像是金属的延展性失效”。

陶瓷可能难以加工，但并非不可能

制造商知道，在航空航天设计中使用陶瓷是在使用耐用材料的同时减轻飞机重量的可靠方法。

“提高强度和耐温性的相同特性也使加工变得更加困难，”山高刀具教育和技术服务经理 Don Graham 在制造工程的一篇文章中写道。 Graham 指出，困难出现在最后的加工或磨削阶段，如果切割不正确，陶瓷的表面完整性会受到影响。更重要的是，在高材料去除率的情况下，受到损害的机会会进一步增加。

“由于脆性、高硬度、抗蠕变和高强度，传统的加工方法，如车削、铣削和钻孔，由于裂纹、脆性断裂和边缘崩刃，很难在先进陶瓷上很好地执行，”Alexander Gorin 和M. Mohan Reddy 在他们的论文《先进陶瓷：传统方法加工中的一些挑战和解决方案》中。

Graham 表示，无法完全消除陶瓷加工的困难，但商店已经找到了通过适当的工具选择来缓解挑战的方法。具有锋利切削刃和正前角的刀具将降低切削力，而具有细晶粒基材的刀片非常适合磨料切削条件。

“纤维增强材料在很大程度上克服了脆性问题，但由于 CMC 的低导热性、高硬度和耐磨性，可加工性受到影响，”格雷厄姆写道。 “除了传统的加工方法外，制造商正在尝试其他方法来加工 CMC 零件，例如水刀、EDM、激光辅助加工、磨削和使用 PCBN 插入工具。”

陶瓷加工不当，结构会失去强度

如果一块陶瓷加工不当，结构本身的强度就会大大降低。当夹层复合材料被切割成参差不齐、不平整或变形的边缘时，整个结构将失去大量的刚性。

“切割不均匀或变形的夹层复合材料会失去其强度，就像瓦楞纸板会破坏其刚性一样，”格雷厄姆写道。 “对于精加工，车间必须使用专为这种夹层复合材料设计的高速立铣刀。”

在航空航天设计中使用陶瓷进行加工时，避免任何类型的弯曲或磨损至关重要。格雷厄姆指出，解决方案是使用具有高度锋利边缘和快速切割速度的切割机。

陶瓷成本高，但创新有益

根据 Gorin/Reddy 的说法，由于在加工陶瓷时如此强调强力、高效的切割，难怪许多工厂已将高达 80% 的总费用用于维持其陶瓷结构的完整性。纸。当然，这在维持预算或试图将资金分配给工作的其他方面时可能会出现问题。

Lux Research 在 MachineDesign 文章中指出：“想要利用我们 CMC 卓越机械性能的 [D] 设计者将不得不为此付出代价。” “成本最低的石墨/碳纤维 CMC 对简单形状的价格约为 30 美元/磅，随着加工而显着增加。用于高温应用的碳化硅基体/碳化硅纤维 CMC 需要高纯度纤维，起价超过 4,000 美元/磅，导致预制棒价格超过 9,000 美元/磅。”

专家指出，陶瓷的采用一直很缓慢，而且通常得到政府资金的补贴和激励措施的支持，因此要真正起飞，成本确实需要下降。 Lux Research 指出，“降低纤维等中间体成本的技术可以打开新市场，而加工进步可以使 CMC 零件更加可靠，从而简化认证。”

您的商店以前用陶瓷加工过吗？如果是这样，您和您的团队面临哪些挑战？让我们知道！