Keramik canggih banyak digunakan dalam industri kimia, metalurgi, permesinan, dirgantara, dan bidang lainnya karena karakteristik suhunya yang tinggi.Karakteristik suhu tinggi termasuk ketahanan suhu tinggi dan insulasi panas.Apa perbedaan dan hubungan antara keduanya?
Keramik tahan suhu tinggi terutama ditujukan pada "titik lebur tinggi" keramik, yaitu, tidak mudah dihancurkan pada suhu tinggi, sedangkan keramik isolasi termal terutama ditujukan pada "konduktivitas termal rendah" dari beberapa keramik khusus, yaitu, mereka dapat mengisolasi panas.Perlu dicatat bahwa ketika kita berbicara tentang "bahan isolasi termal", mereka umumnya mencakup "isolasi termal", "isolasi dingin", "bahan isolasi termal", dll. Saat ini, penelitian keramik isolasi termal umumnya difokuskan pada termal isolasi pada suhu tinggi.Oleh karena itu, dalam lingkup penelitian aplikasi ini, kita dapat mengetahui bahwa keramik tahan suhu tinggi belum tentu merupakan isolasi termal, tetapi di lingkungan kerja suhu tinggi, keramik isolasi termal harus memenuhi persyaratan ketahanan suhu tinggi dan isolasi termal.

keramik tahan suhu tinggi
Secara umum, keramik tahan suhu tinggi mengacu pada nama umum bahan keramik yang suhu lelehnya di atas titik leleh silikon oksida (1728 ℃).Ini adalah bagian penting dari keramik khusus, dan terkadang juga merupakan bagian dari bahan tahan api suhu tinggi.

Menurut komposisi kimia utama bahan keramik, mereka dapat dibagi menjadi keramik oksida suhu tinggi (seperti Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2, dll.), keramik karbida, keramik borida, keramik nitrida, dan keramik silisida.Sebagai bahan struktural suhu tinggi, banyak digunakan di ruang angkasa, energi atom, teknologi elektronik, permesinan, industri kimia, metalurgi, dan banyak departemen lainnya.Ini adalah bahan rekayasa suhu tinggi yang sangat diperlukan untuk sains dan teknologi modern.

Dalam beberapa tahun terakhir, karena peleburan dan peralatan termal lainnya mengajukan persyaratan yang semakin tinggi untuk bahan dan produk keramik tahan suhu tinggi, perkembangan pesat industri kedirgantaraan juga telah mendorong pengembangan keramik tahan suhu tinggi, sehingga kualitas dan variasinya terus ditingkatkan. .Saat ini, bahan keramik tahan suhu tinggi komponen tunggal memiliki kekurangan sifat yang jelas karena komposisi tunggal mereka, seperti bahan korundum, suhu sintering tinggi, koefisien ekspansi termal sinter yang besar, ketahanan kejut termal yang buruk, dan ketahanan oksidasi keramik silikon karbida yang buruk. bahan.Selain itu, bahan keramik tahan suhu tinggi sulit untuk diproses, memiliki ketahanan kejut termal yang buruk, dan tidak mudah terikat saat digunakan, yang juga mendorong pengembangan komposit bahan keramik tahan suhu tinggi, seperti bahan Sialon, bahan komposit Sialon , bahan pelapis keramik tahan suhu tinggi, keramik komposit karbida bahan tahan suhu tinggi, dll.

Bahan keramik suhu sangat tinggi
Keramik suhu sangat tinggi (UHTC) mengacu pada senyawa keramik dengan titik leleh lebih dari 3000 ℃, seperti ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN, dll., Yang memiliki stabilitas termokimia yang sangat baik dan sifat fisik yang sangat baik, termasuk tinggi modulus elastis, kekerasan tinggi, tekanan uap jenuh rendah, konduktivitas termal tinggi dan konduktivitas listrik, laju ekspansi termal sedang dan ketahanan kejut termal yang baik, dan dapat mempertahankan kekuatan tinggi pada suhu tinggi, biasanya termasuk borida logam transisi, karbida Nitrida dan kompositnya.

1. Keramik borida suhu sangat tinggi
Keramik borida suhu sangat tinggi terutama meliputi keramik HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 dan YB4.Bahan keramik ini memiliki karakteristik titik leleh tinggi, kekerasan tinggi, kekuatan tinggi, laju penguapan rendah, konduktivitas termal tinggi dan konduktivitas karena ikatan kovalennya yang kuat.ZrB2 dan HfB2 adalah UHTC yang paling banyak dipelajari dalam keramik borida, tetapi ketahanan oksidasinya yang buruk membatasi penerapannya secara luas.

2. Keramik karbida suhu sangat tinggi
Di antara keramik karbida, ZrC, HfC, TaC, dan TiC dapat digunakan pada suhu sangat tinggi.Keramik jenis ini memiliki titik leleh yang sangat tinggi, tidak mengalami transformasi fasa padat selama proses pemanasan atau pendinginan, dan memiliki ketahanan kejut termal yang baik dan kekuatan suhu tinggi, tetapi ketangguhan retak UHTC karbida rendah, dan ketahanan oksidasinya rendah. miskin.

3. Keramik nitrida suhu sangat tinggi
Keramik nitrida suhu sangat tinggi seperti ZrN, HfN dan TaN juga memiliki sifat yang baik.Nitrida logam transisi memiliki titik leleh yang tinggi.Namun, titik leleh nitrida tahan api tersebut juga terkait dengan tekanan sekitar, dan tidak semua nitrida tahan api cocok untuk bekerja di lingkungan oksidasi suhu tinggi dan tekanan tinggi.Nitrida logam transisi memiliki aplikasi penting pada lapisan permukaan alat pemotong yang diperkeras.

Keramik isolasi termal
Saat ini, penelitian keramik insulasi termal lebih banyak difokuskan pada bahan keramik pelapis thermal barrier.Lapisan penghalang termal terutama digunakan dalam industri mesin terbang, yang memiliki efek isolasi termal yang baik dan ketahanan oksidasi suhu tinggi.Ini adalah salah satu pelapis pelindung suhu tinggi tercanggih saat ini.

Lapisan penghalang termal memiliki fungsi insulasi panas, ketahanan oksidasi suhu tinggi dan ketahanan korosi.Struktur tipikalnya adalah sistem lapisan ganda, terdiri dari lapisan penghalang termal keramik di permukaan dan lapisan pengikat logam di tengah.Lapisan penghalang termal keramik sebenarnya memainkan peran isolasi dalam lapisan penghalang termal, yang secara efektif dapat mengurangi konduksi panas ke substrat logam dan melindungi komponen utama.Bahan keramik yang cocok untuk lapisan penghalang termal harus memenuhi persyaratan titik leleh tinggi, konduktivitas termal rendah, pencocokan koefisien ekspansi termal dengan matriks logam yang lebih baik, stabilitas kimia yang baik pada suhu tinggi, daya rekat tinggi dengan lapisan logam, dan tidak ada perubahan fasa antara suhu kamar dan suhu kerja.
1. Oksida menstabilkan ZrO2
ZrO2 yang distabilkan oksida memiliki konduktivitas termal yang rendah, koefisien ekspansi termal yang tinggi dan kinerja suhu tinggi yang baik, dan telah menjadi bahan keramik utama pelapis penghalang termal untuk jangka waktu yang lama.Ada banyak jenis oksida yang digunakan untuk menstabilkan ZrO2, antara lain penstabil divalen seperti CaO dan MgO, penstabil trivalen seperti Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3, dan penstabil tetravalen seperti CeO2 dan HfO2.

2. Keramik ABO3 dengan struktur perovskite
Di antara keramik ABO3 berstruktur perovskit, SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3, dll. digunakan dalam lapisan penghalang termal pada tahap awal.Meskipun titik leleh SrZrO3 setinggi 2690 ℃, stabilitas fasanya buruk pada suhu tinggi, dan tidak cocok untuk digunakan sendiri sebagai bahan pelapis penghalang termal pada suhu tinggi.Titik lebur BaZrO3 adalah 2000 ℃, dan koefisien ekspansinya jauh lebih rendah daripada YSZ, sehingga ketahanan kejut termalnya buruk.

3. Bahan keramik A2B2O7
A2B2O7 (A adalah elemen tanah jarang, B adalah Zr, Hf, Ce dan elemen lainnya) bahan keramik memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah daripada bahan ZrO2, koefisien ekspansi termal yang setara dan stabilitas fasa suhu tinggi yang baik, dan dianggap sebagai bahan yang paling menjanjikan sistem untuk menggantikan ZrO2.

4. Struktur magnetit keramik MMeAl11O19
Mikrostruktur heksaaluminat MMeAl11O19 (M adalah La, Nd, Sr dan elemen lainnya, Me adalah elemen logam alkali tanah, dll.) keramik dengan struktur timbal magnetit terdiri dari lapisan yang tersusun secara acak.Ini adalah lapisan penghalang termal yang dikembangkan terlambat untuk mempertahankan struktur yang baik dan stabilitas termal jangka panjang pada suhu tinggi.Ini memiliki tingkat sintering yang jauh lebih rendah daripada bahan pelapis penghalang termal berbasis ZrO2.Ada banyak mikropori, dan memiliki efek isolasi termal yang baik.

5. Bahan keramik lainnya
Selain bahan keramik pelapis penghalang termal di atas, bahan keramik lain dengan prospek aplikasi pelapis penghalang termal juga telah dikembangkan.Y3Al5O12 (disingkat YAG) juga merupakan bahan pelapis penghalang termal yang baik, termasuk dalam struktur garnet.Itu dapat menjaga stabilitas termal yang baik dari suhu kamar hingga titik leleh (1970 ℃), dan memiliki konduktivitas termal yang rendah.Laju difusi oksigen dalam YAG 10 kali lipat lebih kecil daripada ZrO2, sehingga YAG dapat melindungi substrat dan lapisan pengikat logam dengan baik.