Hochleistungskeramiken werden aufgrund ihrer Hochtemperatureigenschaften in der chemischen Industrie, Metallurgie, im Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen eingesetzt.Seine Hochtemperatureigenschaften umfassen eine hohe Temperaturbeständigkeit und Wärmeisolierung.Was sind die Unterschiede und Verbindungen zwischen den beiden?
Hochtemperaturbeständige Keramiken zielen hauptsächlich auf den "hohen Schmelzpunkt" von Keramiken ab, dh sie lassen sich bei hohen Temperaturen nicht leicht zerstören, während Wärmedämmkeramiken hauptsächlich auf die "niedrige Wärmeleitfähigkeit" einiger Spezialkeramiken abzielen. das heißt, sie können Wärme isolieren.Es sollte beachtet werden, dass wenn wir von "Wärmedämmstoffen" sprechen, diese im Allgemeinen "Wärmedämmung", "Kältedämmung", "Wärmedämmstoffe" usw. umfassen. Derzeit konzentriert sich die Forschung zu Wärmedämmkeramiken im Allgemeinen auf Wärme Isolierung bei hohen Temperaturen.Daher können wir im Rahmen dieser Anwendungsforschung wissen, dass hochtemperaturbeständige Keramik nicht unbedingt eine Wärmedämmung sein muss, aber in Hochtemperatur-Arbeitsumgebungen müssen Wärmedämmkeramiken die Anforderungen an Hochtemperaturbeständigkeit und Wärmedämmung erfüllen.

Hochtemperaturbeständige Keramik
Im Allgemeinen beziehen sich hochtemperaturbeständige Keramiken auf den allgemeinen Namen von keramischen Materialien, deren Schmelztemperatur über dem Schmelzpunkt von Siliziumoxid (1728 ℃) liegt.Es ist ein wichtiger Bestandteil von Spezialkeramiken und manchmal auch ein Bestandteil von Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien.

Entsprechend der hauptsächlichen chemischen Zusammensetzung keramischer Materialien können sie in Hochtemperatur-Oxidkeramiken (wie Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2 usw.), Boridkeramik, Nitridkeramik und Silizidkeramik.Als Hochtemperatur-Strukturmaterial wird es in der Luft- und Raumfahrt, Atomenergie, Elektrotechnik, Maschinen, chemischen Industrie, Metallurgie und vielen anderen Abteilungen eingesetzt.Es ist ein unverzichtbares Hochtemperatur-Konstruktionsmaterial für moderne Wissenschaft und Technologie.

In den letzten Jahren, als Schmelz- und andere Wärmeanlagen immer höhere Anforderungen an hochtemperaturbeständige Keramikmaterialien und -produkte stellten, hat die schnelle Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie auch die Entwicklung von hochtemperaturbeständigen Keramiken angeregt, sodass ihre Qualität und Vielfalt ständig verbessert werden .Derzeit haben hochtemperaturbeständige Einkomponenten-Keramikmaterialien aufgrund ihrer Einzelzusammensetzung offensichtliche Mängel in den Eigenschaften, wie z. B. Korundmaterialien, hohe Sintertemperatur, großer Wärmeausdehnungskoeffizient des Sinters, schlechte Wärmeschockbeständigkeit und schlechte Oxidationsbeständigkeit von Siliziumkarbidkeramik Materialien.Darüber hinaus sind die hochtemperaturbeständigen keramischen Materialien schwierig zu verarbeiten, haben eine schlechte Wärmeschockbeständigkeit und sind im Gebrauch nicht leicht zu verbinden, was auch die Entwicklung von hochtemperaturbeständigen keramischen Verbundmaterialien wie Sialon-Materialien, Sialon-Verbundmaterialien fördert , hochtemperaturbeständige keramische Beschichtungsmaterialien, hochtemperaturbeständige Hartmetall-Verbundkeramikmaterialien usw.

Ultrahochtemperatur-Keramikmaterialien
Ultrahochtemperaturkeramik (UHTC) bezieht sich auf keramische Verbindungen mit einem Schmelzpunkt von mehr als 3000 ℃, wie ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN usw., die eine hervorragende thermochemische Stabilität und hervorragende physikalische Eigenschaften aufweisen, einschließlich hoch Elastizitätsmodul, hohe Härte, niedriger Sättigungsdampfdruck, hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, mäßige Wärmeausdehnungsrate und gute Temperaturwechselbeständigkeit und kann bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufrechterhalten, üblicherweise einschließlich Übergangsmetallboride, Carbide, Nitride und deren Verbundstoffe.

1. Ultrahochtemperaturboridkeramik
Ultrahochtemperatur-Boridkeramiken umfassen hauptsächlich HfB2-, ZrB2-, TaB2-, TiB2- und YB4-Keramiken.Diese Keramikmaterialien haben die Eigenschaften eines hohen Schmelzpunkts, einer hohen Härte, einer hohen Festigkeit, einer niedrigen Verdampfungsrate, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer Leitfähigkeit aufgrund ihrer starken kovalenten Bindungen.ZrB2 und HfB2 sind die am häufigsten untersuchten UHTCs in Boridkeramiken, aber ihre geringe Oxidationsbeständigkeit schränkt ihre breite Anwendung ein.

2. Ultrahochtemperatur-Karbidkeramik
Unter den Hartmetallkeramiken können ZrC, HfC, TaC und TiC bei ultrahohen Temperaturen verwendet werden.Diese Art von Keramik hat einen sehr hohen Schmelzpunkt, erfährt während des Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesses keine Festphasenumwandlung und hat eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, aber die Bruchzähigkeit von Carbid-UHTCs ist gering und die Oxidationsbeständigkeit ist Arm.

3. Ultrahochtemperatur-Nitridkeramik
Ultrahochtemperatur-Nitridkeramiken wie ZrN, HfN und TaN haben ebenfalls gute Eigenschaften.Übergangsmetallnitride haben hohe Schmelzpunkte.Der Schmelzpunkt derartiger feuerfester Nitride hängt jedoch auch mit dem Umgebungsdruck zusammen, und nicht alle feuerfesten Nitride sind zum Arbeiten in der Hochtemperatur- und Hochdruck-Oxidationsumgebung geeignet.Übergangsmetallnitride haben wichtige Anwendungen in der oberflächengehärteten Schicht von Schneidwerkzeugen.

Keramik zur Wärmedämmung
Derzeit konzentriert sich die Forschung zu Wärmedämmkeramiken hauptsächlich auf keramische Materialien zur Wärmedämmschicht.Wärmedämmschichten werden hauptsächlich in der Flugzeugtriebwerksindustrie verwendet, die eine gute Wärmedämmwirkung und eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweisen.Es ist derzeit eine der fortschrittlichsten Hochtemperatur-Schutzbeschichtungen.

Die Wärmedämmschicht hat die Funktionen Wärmedämmung, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit.Sein typischer Aufbau ist ein Doppelschichtsystem, bestehend aus einer keramischen Wärmedämmschicht an der Oberfläche und einer metallischen Haftschicht in der Mitte.Die keramische Wärmedämmschicht spielt eigentlich eine isolierende Rolle in der Wärmedämmschicht, die die Wärmeleitung zum Metallsubstrat effektiv reduzieren und Schlüsselkomponenten schützen kann.Geeignete keramische Materialien für Wärmedämmschichten müssen die Anforderungen eines hohen Schmelzpunkts, einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, einer besseren Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an die Metallmatrix, einer guten chemischen Stabilität bei hoher Temperatur, einer hohen Haftung an der Metallschicht und keiner Phasenänderung zwischen Raumtemperatur erfüllen und Arbeitstemperatur.
1. Oxidstabilisiertes ZrO2
Oxidstabilisiertes ZrO2 hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Hochtemperaturleistung und war lange Zeit das wichtigste keramische Material für Wärmedämmschichten.Es gibt viele Arten von Oxiden, die zur Stabilisierung von ZrO2 verwendet werden, darunter zweiwertige Stabilisatoren wie CaO und MgO, dreiwertige Stabilisatoren wie Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3 und vierwertige Stabilisatoren wie CeO2 und HfO2.

2. ABO3-Keramik mit Perowskitstruktur
Unter den Perowskit-strukturierten ABO3-Keramiken wurden SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3 usw. in der Frühphase in Wärmedämmschichten verwendet.Obwohl der Schmelzpunkt von SrZrO3 so hoch wie 2690 ℃ ist, ist seine Phasenstabilität bei hohen Temperaturen schlecht und es ist nicht geeignet, allein als Wärmedämmbeschichtungsmaterial bei hohen Temperaturen verwendet zu werden.Der Schmelzpunkt von BaZrO3 beträgt 2000 ℃ und sein Ausdehnungskoeffizient ist viel niedriger als der von YSZ, sodass seine Temperaturwechselbeständigkeit schlecht ist.

3. A2B2O7 keramische Materialien
Das Keramikmaterial A2B2O7 (A ist ein Seltenerdelement, B ist Zr, Hf, Ce und andere Elemente) hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als ZrO2-Material, einen äquivalenten Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Hochtemperaturphasenstabilität und gilt als das vielversprechendste Material System zum Ersatz von ZrO2.

4. Keramik mit Magnetitstruktur MMeAl11O19
Die Mikrostruktur von Hexaaluminat-MMeAl11O19-Keramik (M ist La, Nd, Sr und andere Elemente, Me ist ein Erdalkalimetallelement usw.) mit Magnetit-Leiterstruktur besteht aus zufällig angeordneten Schichten.Es handelt sich um eine spät entwickelte Wärmedämmschicht zur Aufrechterhaltung einer guten Struktur und thermischen Stabilität bei hohen Temperaturen.Es hat eine Sinterrate, die weit unter der von ZrO2-basierten Wärmedämmbeschichtungsmaterialien liegt.Es gibt viele Mikroporen und es hat eine gute Wärmedämmwirkung.

5. Andere keramische Materialien
Neben den oben genannten Keramikmaterialien für Wärmedämmschichten wurden auch andere Keramikmaterialien mit Anwendungsperspektiven für Wärmedämmschichten entwickelt.Y3Al5O12 (kurz YAG) ist auch ein gutes Wärmedämmschichtmaterial, das zur Granatstruktur gehört.Es kann eine gute thermische Stabilität von Raumtemperatur bis zum Schmelzpunkt (1970 ℃) aufrechterhalten und hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit.Die Diffusionsrate von Sauerstoff in YAG ist 10 Größenordnungen kleiner als die in ZrO2, sodass YAG das Substrat und die Metallverbindungsschicht gut schützen kann.