Les céramiques avancées sont largement utilisées dans l'industrie chimique, la métallurgie, les machines, l'aérospatiale et d'autres domaines en raison de leurs caractéristiques à haute température.Ses caractéristiques à haute température incluent une résistance à haute température et une isolation thermique.Quelles sont les différences et les liens entre les deux ?
Les céramiques résistantes aux hautes températures visent principalement le "point de fusion élevé" de la céramique, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas faciles à détruire à haute température, tandis que les céramiques d'isolation thermique visent principalement la "faible conductivité thermique" de certaines céramiques spéciales, c'est-à-dire qu'ils peuvent isoler la chaleur.Il convient de noter que lorsque l'on parle de "matériaux d'isolation thermique", ils incluent généralement "l'isolation thermique", "l'isolation froide", "les matériaux d'isolation thermique", etc. A l'heure actuelle, les recherches sur les céramiques d'isolation thermique sont généralement axées sur isolation à haute température.Par conséquent, dans le cadre de cette recherche d'application, nous pouvons savoir que les céramiques résistantes aux hautes températures ne sont pas nécessairement des isolants thermiques, mais dans les environnements de travail à haute température, les céramiques d'isolation thermique doivent répondre aux exigences de résistance aux hautes températures et d'isolation thermique.

Céramique résistante aux hautes températures
D'une manière générale, les céramiques résistantes aux hautes températures désignent le nom général des matériaux céramiques dont la température de fusion est supérieure au point de fusion de l'oxyde de silicium (1728 ℃).C'est une partie importante des céramiques spéciales, et parfois aussi une partie des matériaux réfractaires à haute température.

Selon la composition chimique principale des matériaux céramiques, ils peuvent être divisés en céramiques d'oxyde à haute température (telles que Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2, etc.), céramiques de carbure, les céramiques au borure, les céramiques au nitrure et les céramiques au siliciure.En tant que matériau structurel à haute température, il est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'énergie atomique, la technologie électronique, les machines, l'industrie chimique, la métallurgie et de nombreux autres départements.C'est un matériau d'ingénierie à haute température indispensable pour la science et la technologie modernes.

Ces dernières années, alors que la fonderie et d'autres équipements thermiques ont imposé des exigences de plus en plus élevées pour les matériaux et produits céramiques résistants aux hautes températures, le développement rapide de l'industrie aérospatiale a également stimulé le développement de céramiques résistantes aux hautes températures, de sorte que sa qualité et sa variété sont constamment améliorées. .À l'heure actuelle, les matériaux céramiques monocomposants résistants aux hautes températures présentent des défauts évidents de propriétés en raison de leur composition unique, tels que les matériaux en corindon, la température de frittage élevée, le coefficient de dilatation thermique élevé du fritté, la faible résistance aux chocs thermiques et la faible résistance à l'oxydation de la céramique au carbure de silicium. matériaux.De plus, les matériaux céramiques résistants aux hautes températures sont difficiles à traiter, ont une faible résistance aux chocs thermiques et ne sont pas faciles à coller en cours d'utilisation, ce qui favorise également le développement de composites de matériaux céramiques résistants aux hautes températures, tels que les matériaux Sialon, les matériaux composites Sialon , matériaux de revêtement céramiques résistants aux hautes températures, matériaux composites de carbure céramique résistants aux hautes températures, etc.

Matériaux céramiques ultra haute température
Les céramiques à ultra haute température (UHTC) font référence à des composés céramiques avec un point de fusion supérieur à 3000 ℃, tels que ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN, etc., qui ont une excellente stabilité thermochimique et d'excellentes propriétés physiques, y compris une haute module élastique, dureté élevée, faible pression de vapeur saturée, conductivité thermique et conductivité électrique élevées, taux de dilatation thermique modéré et bonne résistance aux chocs thermiques, et peut maintenir une résistance élevée à des températures élevées, y compris généralement des borures de métaux de transition, des nitrures de carbures et leurs composites.

1. Céramique au borure ultra-haute température
Les céramiques au borure à ultra haute température comprennent principalement les céramiques HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 et YB4.Ces matériaux céramiques ont les caractéristiques d'un point de fusion élevé, d'une dureté élevée, d'une résistance élevée, d'un faible taux d'évaporation, d'une conductivité thermique élevée et d'une conductivité due à leurs fortes liaisons covalentes.ZrB2 et HfB2 sont les UHTC les plus étudiés dans les céramiques au borure, mais leur faible résistance à l'oxydation limite leur large application.

2. Céramique carbure ultra-haute température
Parmi les céramiques au carbure, ZrC, HfC, TaC et TiC peuvent être utilisées à des températures ultra-élevées.Ce type de céramique a un point de fusion très élevé, ne subit pas de transformation en phase solide pendant le processus de chauffage ou de refroidissement, et a une bonne résistance aux chocs thermiques et à haute température, mais la ténacité à la rupture des UHTC en carbure est faible et la résistance à l'oxydation est pauvre.

3. Céramique de nitrure à très haute température
Les céramiques nitrurées à ultra haute température telles que ZrN, HfN et TaN ont également de bonnes propriétés.Les nitrures de métaux de transition ont des points de fusion élevés.Cependant, le point de fusion de ces nitrures réfractaires est également lié à la pression ambiante, et tous les nitrures réfractaires ne conviennent pas pour travailler dans un environnement d'oxydation à haute température et haute pression.Les nitrures de métaux de transition ont des applications importantes dans la couche durcie en surface des outils de coupe.

Céramique d'isolation thermique
À l'heure actuelle, la recherche sur les céramiques d'isolation thermique se concentre principalement sur les matériaux céramiques de revêtement de barrière thermique.Le revêtement de barrière thermique est principalement utilisé dans l'industrie des moteurs aéronautiques, qui a un bon effet d'isolation thermique et une résistance à l'oxydation à haute température.C'est l'un des revêtements de protection à haute température les plus avancés à l'heure actuelle.

Le revêtement de barrière thermique a les fonctions d'isolation thermique, de résistance à l'oxydation à haute température et de résistance à la corrosion.Sa structure typique est un système à double couche, composé d'une couche de barrière thermique en céramique sur la surface et d'une couche de liaison métallique au milieu.La couche de barrière thermique en céramique joue en fait un rôle isolant dans le revêtement de barrière thermique, qui peut réduire efficacement la conduction thermique vers le substrat métallique et protéger les composants clés.Les matériaux céramiques appropriés pour les revêtements de barrière thermique doivent répondre aux exigences de point de fusion élevé, de faible conductivité thermique, d'une meilleure correspondance du coefficient de dilatation thermique avec la matrice métallique, d'une bonne stabilité chimique à haute température, d'une adhérence élevée avec la couche métallique et d'aucun changement de phase entre la température ambiante et la température de travail.
1. Oxyde stabilisé ZrO2
Le ZrO2 stabilisé à l'oxyde a une faible conductivité thermique, un coefficient de dilatation thermique élevé et de bonnes performances à haute température, et a été le principal matériau céramique du revêtement de barrière thermique pendant une longue période.Il existe de nombreux types d'oxydes utilisés pour stabiliser ZrO2, y compris des stabilisants divalents tels que CaO et MgO, des stabilisants trivalents tels que Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3 et des stabilisants tétravalents tels que CeO2 et HfO2.

2. Céramique ABO3 à structure pérovskite
Parmi les céramiques ABO3 structurées en pérovskite, SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3, etc. ont été utilisées dans les revêtements de barrière thermique à un stade précoce.Bien que le point de fusion de SrZrO3 soit aussi élevé que 2690 ℃, sa stabilité de phase à haute température est médiocre et il ne convient pas pour être utilisé seul comme matériau de revêtement de barrière thermique à haute température.Le point de fusion de BaZrO3 est de 2000 ℃ et son coefficient de dilatation est bien inférieur à celui de YSZ, sa résistance aux chocs thermiques est donc médiocre.

3. Matériaux céramiques A2B2O7
A2B2O7 (A est un élément de terre rare, B est Zr, Hf, Ce et d'autres éléments) le matériau céramique a une conductivité thermique inférieure à celle du matériau ZrO2, un coefficient de dilatation thermique équivalent et une bonne stabilité de phase à haute température, et est considéré comme le matériau le plus prometteur système pour remplacer le ZrO2.

4. Céramique MMeAl11O19 à structure magnétite
La microstructure de la céramique hexaaluminate MMeAl11O19 (M est La, Nd, Sr et d'autres éléments, Me est un élément de métal alcalino-terreux, etc.) à structure de plomb magnétite est composée de couches disposées de manière aléatoire.Il s'agit d'un revêtement de barrière thermique développé tardivement pour maintenir une bonne structure et une stabilité thermique à long terme à des températures élevées.Il a un taux de frittage bien inférieur à celui des matériaux de revêtement de barrière thermique à base de ZrO2.Il y a beaucoup de micropores et il a un bon effet d'isolation thermique.

5. Autres matériaux céramiques
En plus des matériaux céramiques ci-dessus de revêtements de barrière thermique, d'autres matériaux céramiques avec des perspectives d'application de revêtements de barrière thermique ont également été développés.Y3Al5O12 (YAG en abrégé) est également un bon matériau de revêtement de barrière thermique, appartenant à la structure du grenat.Il peut maintenir une bonne stabilité thermique de la température ambiante au point de fusion (1970 ℃) et a une faible conductivité thermique.Le taux de diffusion de l'oxygène dans le YAG est inférieur de 10 ordres de grandeur à celui du ZrO2, de sorte que le YAG peut bien protéger le substrat et la couche de liaison métallique.