高度なセラミックスは、その高温特性に応じて、化学工業、冶金、機械、航空宇宙などの分野で広く使用されています。その高温特性には、高温耐性と断熱性が含まれます。

両者の違いやつながりを知っていますか？
耐熱セラミックスは主にセラミックスの「高融点」を目指したものです。言い換えれば、それらは高温で破壊されるのは容易ではありませんが、断熱セラミックは主にいくつかの特別なセラミックの「低い熱伝導率」、つまり熱を分離することを目的としています。ここでいう「断熱材」には、「保温」「保冷」「断熱材」などがあります。 現在の断熱セラミックスの研究は、一般的に高温での断熱に焦点を当てています。したがって、この応用研究の範囲内では、耐熱セラミックスは必ずしも断熱材であるとは限りません。ただし、高温の作業環境では、断熱セラミックスは高温耐性と断熱の要件を満たす必要があります。

耐熱セラミックス
一般的に、耐熱セラミックスとは、溶融温度が酸化ケイ素の融点（1728℃）を超えるセラミック材料の総称を指します。それは特殊なセラミックの重要な部分であり、時には高温耐火材料の一部でもあります.

セラミック材料の主な化学組成によると、それらは高温酸化物セラミックス（Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、ThO2、Cr2O3、SiO2、BeO、3Al2O3・2SiO2など）、炭化物セラミックス、ホウ化物セラミックス、窒化物セラミックス、ケイ化物セラミックス。高温構造材料として、航空宇宙、原子力、電子技術、機械、化学工業、冶金、その他多くの部門で広く使用されています。現代の科学技術に欠かせない高温工学材料です。

最近、製錬およびその他の熱装置は、高温耐性セラミック材料および製品に対する要求がますます高くなってきています。航空宇宙産業の急速な発展はまた、その品質と多様性を改善するために、高温耐性セラミックスの開発を刺激しました。現在、単一成分の耐高温セラミック材料は、コランダム材料、高い焼結温度、焼結の大きな熱膨張係数、不十分な熱衝撃抵抗、炭化ケイ素セラミックの不十分な耐酸化性など、それらの単一組成による特性に明らかな欠点があります。材料。さらに、耐熱セラミック材料は加工が困難です。それらは耐熱衝撃性が低く、さらに、使用中に結合するのが容易ではないため、サイアロン材料、サイアロン複合材料、耐高温セラミックコーティング材料、超硬複合セラミックなどの耐高温セラミック材料複合材料の開発も促進されます。耐熱材料など

超高温セラミック材料
超高温セラミックス（UHTC）とは、ZrC、HfC、TaC、HfB2、ZrB2、HfNなど、融点が3000℃を超えるセラミック化合物を指します。

高弾性率、高硬度、低飽和蒸気圧、高熱伝導率と電気伝導率、適度な熱膨張率、優れた熱衝撃抵抗など、優れた熱化学的安定性と優れた物理的特性を備えています。それらは高温で高い強度を維持でき、通常は遷移金属のホウ化物、炭化物、窒化物、およびそれらの複合物が含まれます。

1. 超高温ホウ化物セラミックス
超高温ホウ化物セラミックには、主にHfB2、ZrB2、TaB2、TiB2、およびYB4セラミックが含まれます。これらのセラミック材料は、その強力な共有結合により、高融点、高硬度、高強度、低蒸発速度、高熱伝導率および導電率の特性を備えています。ZrB2 と HfB2 は、ホウ化物セラミックで最も広く研究されている UHTC です。ただし、耐酸化性が低いため、幅広い用途が制限されます。

2. 超高温超硬セラミックス
超硬セラミックスの中でもZrC、HfC、TaC、TiCは超高温で使用できます。この種のセラミックスは非常に高い融点を持っています。加熱・冷却時に固相変態せず、耐熱衝撃性、高温強度に優れています。ただし、超硬UHTCの破壊靭性は低く、耐酸化性は劣っています。

3. 超高温窒化物セラミックス
ZrN、HfN、TaN などの超高温窒化物セラミックも優れた特性を持っています。遷移金属窒化物は高い融点を持っています。しかし、そのような耐火性窒化物の融点は周囲圧力にも関係しています。すべての耐火性窒化物が高温高圧酸化環境での作業に適しているわけではありません。遷移金属窒化物は、切削工具の表面硬化層に重要な用途があります。

断熱セラミックス
断熱セラミックスに関する現在の研究は、主に遮熱コーティングセラミック材料に焦点を当てています。遮熱コーティングは、主に航空エンジン業界で使用されており、優れた断熱効果と高温耐酸化性を備えています。これは、現在最も高度な高温保護コーティングの 1 つです。

遮熱コーティングには、断熱、高温酸化抵抗、耐食性の機能があります。その典型的な構造は、表面のセラミック断熱層と中間の金属結合層からなる二重層システムです。セラミック遮熱層は、遮熱コーティングにおいて実際に断熱の役割を果たします。金属基板への熱伝導を効果的に低減し、主要コンポーネントを保護します。遮熱コーティングに適したセラミック材料は、高融点、低熱伝導率、金属マトリックスとの熱膨張係数のより良い一致、高温での良好な化学的安定性、金属層との高い接着性、および室温間の相変化がないという要件を満たす必要があります。そして働く温度。

1. 酸化物安定化 ZrO2
酸化物安定化 ZrO2 は、熱伝導率が低く、熱膨張係数が高く、高温性能が良好です。長い間、遮熱コーティングの主なセラミックス材料でした。ZrO2 を安定化させる酸化物には、CaO や MgO などの 2 価安定剤、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Er2O3 などの 3 価安定剤、CeO2 や HfO2 などの 4 価安定剤など、さまざまな種類があります。

2.ペロブスカイト構造のABO3セラミックス
ペロブスカイト構造のABO3セラミックスのうち、SrZrO3、BaZrO3、MgZrO3などは、初期の遮熱コーティングに使用されました。SrZrO3の融点は2690℃と高いです。ただし、高温での相安定性は低いです。高温での遮熱コーティング材として単独で使用するのには適していません。BaZrO3の融点は2000℃です。その膨張係数は、YSZ の膨張係数よりもはるかに低くなっています。そのため、耐熱衝撃性に劣ります。

3. A2B2O7 セラミック材料
A2B2O7 (A は希土類元素、B は Zr、Hf、Ce などの元素) セラミック材料は、ZrO2 材料よりも熱伝導率が低くなります。同等の熱膨張係数と優れた高温相安定性です。一方、ZrO2 に代わる最も有望な材料系と考えられています。

4. マグネタイト構造 MMeAl11O19 セラミックス
ヘキサアルミン酸塩 MMeAl11O19 (M は La、Nd、Sr などの元素、Me はアルカリ土類金属元素など) セラミックスの微細構造は、マグネタイト鉛構造を持ち、ランダムに配置された層で構成されています。遮熱コーティングとして、長期にわたって良好な構造と高温での熱安定性を維持するために開発が遅れています。ZrO2系遮熱コーティング材よりもはるかに低い焼結速度です。優れた断熱効果を確保するために多くの微細孔があります。

5. その他のセラミック材料
上記の遮熱コーティング用セラミック材料に加えて、遮熱コーティングの適用が見込める他のセラミック材料も開発されている。Y3Al5O12 (略して YAG) も優れた遮熱コーティング材料であり、ガーネット構造に属します。室温から融点（1970℃）まで良好な熱安定性を維持できるだけでなく、熱伝導率も低いです。YAG の酸素の拡散速度は、ZrO2 の酸素の拡散速度よりも 10 桁小さいです。したがって、YAG は基板と金属結合層を適切に保護できます。