سرامیک مقاوم در برابر دمای بالا
سرامیک های پیشرفته به دلیل ویژگی های دمای بالا به طور گسترده ای در صنایع شیمیایی، متالورژی، ماشین آلات، هوا فضا و سایر زمینه ها استفاده می شود.از ویژگی های دمای بالای آن می توان به مقاومت در برابر دمای بالا و عایق حرارتی اشاره کرد.تفاوت ها و ارتباط بین این دو چیست؟
سرامیک های مقاوم در برابر درجه حرارت بالا عمدتاً "نقطه ذوب بالا" سرامیک ها را هدف قرار می دهند ، یعنی در دمای بالا به راحتی از بین نمی روند ، در حالی که سرامیک های عایق حرارتی عمدتاً "رسانایی حرارتی کم" برخی از سرامیک های خاص را هدف قرار می دهند. یعنی می توانند گرما را جدا کنند.لازم به ذکر است که وقتی صحبت از «مواد عایق حرارتی» می شود، عموماً شامل «عایق حرارتی»، «عایق سرما»، «مواد عایق حرارتی» و ... می شود. در حال حاضر تحقیقات روی سرامیک های عایق حرارتی عموماً بر روی حرارت متمرکز شده است. عایق در دمای بالابنابراین، در محدوده این تحقیقات کاربردی، می‌توانیم بدانیم که سرامیک‌های مقاوم در برابر دمای بالا ممکن است لزوماً عایق حرارتی نباشند، اما در محیط‌های کاری با دمای بالا، سرامیک‌های عایق حرارتی باید الزامات مقاومت در برابر دمای بالا و عایق حرارتی را برآورده کنند.
سرامیک های مقاوم در برابر درجه حرارت بالا
به طور کلی، سرامیک های مقاوم در برابر دمای بالا به نام کلی مواد سرامیکی که دمای ذوب آنها بالاتر از نقطه ذوب اکسید سیلیکون است (1728 ℃) اشاره دارد.بخش مهمی از سرامیک های خاص و گاهی اوقات بخشی از مواد نسوز با درجه حرارت بالا است.
با توجه به ترکیب شیمیایی اصلی مواد سرامیکی، آنها را می توان به سرامیک های اکسیدی با دمای بالا (مانند Al2O3، ZrO2، MgO، CaO، ThO2، Cr2O3، SiO2، BeO، 3Al2O3 · 2SiO2، و غیره)، سرامیک های کاربید، سرامیک بورید، سرامیک نیترید و سرامیک سیلیسید.به عنوان یک ماده ساختاری با دمای بالا، به طور گسترده ای در هوا فضا، انرژی اتمی، فناوری الکترونیک، ماشین آلات، صنایع شیمیایی، متالورژی و بسیاری از بخش های دیگر استفاده می شود.این یک ماده مهندسی با دمای بالا برای علم و فناوری مدرن ضروری است.
در سال‌های اخیر، از آنجایی که ذوب و سایر تجهیزات حرارتی الزامات بالاتر و بالاتری را برای مواد و محصولات سرامیکی مقاوم در برابر دمای بالا مطرح می‌کنند، توسعه سریع صنعت هوافضا نیز باعث توسعه سرامیک‌های مقاوم در برابر دمای بالا شده است، بنابراین کیفیت و تنوع آن به طور مداوم بهبود می‌یابد. .در حال حاضر، مواد سرامیکی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا تک جزئی به دلیل ترکیب واحد خود دارای کاستی های آشکاری از نظر خواص هستند، مانند مواد کوراندوم، دمای پخت بالا، ضریب انبساط حرارتی زیاد زینتر، مقاومت در برابر شوک حرارتی ضعیف و مقاومت اکسیداسیون ضعیف سرامیک کاربید سیلیکون. مواد.علاوه بر این، پردازش مواد سرامیکی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا دشوار است، مقاومت در برابر شوک حرارتی ضعیفی دارد و در استفاده آسان نیست، که باعث توسعه کامپوزیت مواد سرامیکی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا، مانند مواد Sialon، مواد کامپوزیت Sialon می شود. ، مواد پوشش سرامیکی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا، مواد مقاوم در برابر دمای بالا سرامیک کامپوزیت کاربید و غیره.
مواد سرامیکی با دمای فوق العاده بالا
سرامیک های با دمای فوق العاده بالا (UHTC) به ترکیبات سرامیکی با نقطه ذوب بیش از 3000 ℃ مانند ZrC، HfC، TaC، HfB2، ZrB2، HfN و غیره اطلاق می شود که دارای پایداری حرارتی عالی و خواص فیزیکی عالی از جمله بالا هستند. مدول الاستیک، سختی بالا، فشار بخار اشباع کم، رسانایی حرارتی و هدایت الکتریکی بالا، نرخ انبساط حرارتی متوسط و مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب، و می تواند استحکام بالایی را در دماهای بالا حفظ کند، معمولاً شامل بوریدهای فلزات واسطه، کاربید نیتریدها و کامپوزیت های آنها است.
1. سرامیک بورید با دمای فوق العاده بالا
سرامیک های بورید با دمای بسیار بالا عمدتاً شامل سرامیک های HfB2، ZrB2، TaB2، TiB2 و YB4 هستند.این مواد سرامیکی به دلیل داشتن پیوندهای کووالانسی قوی دارای ویژگی های نقطه ذوب بالا، سختی بالا، استحکام بالا، سرعت تبخیر کم، رسانایی حرارتی و هدایت حرارتی بالا هستند.ZrB2 و HfB2 گسترده ترین UHTC های مورد مطالعه در سرامیک های بورید هستند، اما مقاومت اکسیداسیون ضعیف آنها کاربرد گسترده آنها را محدود می کند.
2. سرامیک کاربید با دمای فوق العاده بالا
در میان سرامیک های کاربید، ZrC، HfC، TaC و TiC را می توان در دماهای بسیار بالا استفاده کرد.این نوع سرامیک ها دارای نقطه ذوب بسیار بالایی هستند، در طی فرآیند گرمایش یا سرمایش تغییر فاز جامد را تجربه نمی کنند و دارای مقاومت شوک حرارتی خوب و استحکام دمای بالا هستند، اما چقرمگی شکست UHTC های کاربید کم است و مقاومت در برابر اکسیداسیون پایین است. فقیر.
3. سرامیک نیترید با دمای فوق العاده بالا
سرامیک های نیترید با دمای فوق العاده بالا مانند ZrN، HfN و TaN نیز خواص خوبی دارند.نیتریدهای فلزات واسطه نقطه ذوب بالایی دارند.با این حال، نقطه ذوب چنین نیتریدهای نسوز نیز به فشار محیط مربوط است و همه نیتریدهای نسوز برای کار در محیط اکسیداسیون با دمای بالا و فشار بالا مناسب نیستند.نیتریدهای فلزات واسطه کاربردهای مهمی در لایه سخت شده سطحی ابزارهای برش دارند.
سرامیک های عایق حرارتی
در حال حاضر، تحقیقات در مورد سرامیک های عایق حرارتی بیشتر بر روی مواد سرامیکی پوشش سد حرارتی متمرکز شده است.پوشش مانع حرارتی عمدتاً در صنعت موتورهای هوایی استفاده می شود که دارای اثر عایق حرارتی خوب و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا است.این یکی از پیشرفته ترین پوشش های محافظ در دمای بالا در حال حاضر است.
پوشش مانع حرارتی دارای عملکردهای عایق حرارتی، مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی است.ساختار معمولی آن یک سیستم دو لایه است که از یک لایه مانع حرارتی سرامیکی در سطح و یک لایه اتصال فلزی در وسط تشکیل شده است.لایه سد حرارتی سرامیکی در واقع نقش عایق را در پوشش سد حرارتی ایفا می کند، که می تواند به طور موثری هدایت گرما را به زیرلایه فلزی کاهش دهد و از اجزای کلیدی محافظت کند.مواد سرامیکی مناسب برای پوشش های مانع حرارتی باید شرایط نقطه ذوب بالا، هدایت حرارتی پایین، تطابق بهتر ضریب انبساط حرارتی با زمینه فلزی، پایداری شیمیایی خوب در دمای بالا، چسبندگی بالا با لایه فلزی و عدم تغییر فاز بین دمای اتاق را برآورده کنند. و دمای کار
1. ZrO2 تثبیت شده با اکسید
ZrO2 تثبیت شده با اکسید دارای رسانایی حرارتی کم، ضریب انبساط حرارتی بالا و عملکرد دمای بالا خوب است و برای مدت طولانی ماده سرامیکی اصلی پوشش مانع حرارتی بوده است.انواع مختلفی از اکسیدها برای تثبیت ZrO2 استفاده می شود، از جمله تثبیت کننده های دو ظرفیتی مانند CaO و MgO، تثبیت کننده های سه ظرفیتی مانند Y2O3، Sm2O3، Nd2O3، Er2O3، و تثبیت کننده های چهار ظرفیتی مانند CeO2 و HfO2.
2. سرامیک ABO3 با ساختار پروسکایت
در میان سرامیک‌های ABO3 با ساختار پروسکایت، SrZrO3، BaZrO3، MgZrO3 و غیره در پوشش‌های سد حرارتی در مراحل اولیه مورد استفاده قرار گرفتند.اگرچه نقطه ذوب SrZrO3 تا 2690 ℃ است، پایداری فاز آن در دماهای بالا ضعیف است و برای استفاده به تنهایی به عنوان یک ماده پوشش سد حرارتی در دماهای بالا مناسب نیست.نقطه ذوب BaZrO3 2000 ℃ است و ضریب انبساط آن بسیار کمتر از YSZ است، بنابراین مقاومت شوک حرارتی آن ضعیف است.
3. مواد سرامیکی A2B2O7
A2B2O7 (A عنصر خاکی کمیاب است، B Zr، Hf، Ce و عناصر دیگر است) مواد سرامیکی دارای رسانایی حرارتی کمتری نسبت به مواد ZrO2، ضریب انبساط حرارتی معادل و پایداری فاز در دمای بالا است و امیدوارکننده‌ترین ماده در نظر گرفته می‌شود. سیستم جایگزین ZrO2
4. سرامیک ساختار مگنتیت MMeAl11O19
ریزساختار هگزا آلومینات MMeAl11O19 (M است La، Nd، Sr و عناصر دیگر، Me عنصر فلز قلیایی خاکی و غیره است) سرامیک با ساختار سرب مگنتیت از لایه‌هایی که به‌طور تصادفی مرتب شده‌اند تشکیل شده است.این یک پوشش مانع حرارتی است که برای حفظ ساختار خوب طولانی مدت و پایداری حرارتی در دماهای بالا دیر ایجاد شده است.سرعت تف جوشی بسیار کمتری نسبت به مواد پوشش سد حرارتی مبتنی بر ZrO2 دارد.ریز منافذ زیادی وجود دارد و اثر عایق حرارتی خوبی دارد.
5. سایر مواد سرامیکی
علاوه بر مواد سرامیکی فوق پوشش های مانع حرارتی، سایر مواد سرامیکی با چشم انداز کاربرد پوشش های مانع حرارتی نیز توسعه یافته اند.Y3Al5O12 (به اختصار YAG) همچنین یک ماده پوشش سد حرارتی خوب است که متعلق به ساختار گارنت است.این می تواند پایداری حرارتی خوبی را از دمای اتاق تا نقطه ذوب (1970 ℃) حفظ کند و رسانایی حرارتی پایینی دارد.سرعت انتشار اکسیژن در YAG 10 مرتبه کوچکتر از ZrO2 است، بنابراین YAG می تواند به خوبی از بستر و لایه اتصال فلزی محافظت کند.