SERAMIK TAHAN SUHU TINGGI

Seramik termaju digunakan secara meluas dalam industri kimia, metalurgi, jentera, aeroangkasa dan bidang lain kerana ciri suhu tingginya.Ciri suhu tingginya termasuk rintangan suhu tinggi dan penebat haba.Apakah perbezaan dan kaitan antara keduanya?
Seramik tahan suhu tinggi terutamanya bertujuan untuk "takat lebur tinggi" seramik, iaitu, ia tidak mudah dimusnahkan pada suhu tinggi, manakala seramik penebat haba terutamanya ditujukan kepada "kekonduksian haba rendah" beberapa seramik khas, iaitu, mereka boleh mengasingkan haba.Perlu diingatkan bahawa apabila kita bercakap tentang "bahan penebat haba", ia biasanya termasuk "penebat haba", "penebat sejuk", "bahan penebat haba", dll. Pada masa ini, penyelidikan mengenai seramik penebat haba secara amnya tertumpu pada haba. penebat pada suhu tinggi.Oleh itu, dalam skop penyelidikan aplikasi ini, kita boleh tahu bahawa seramik tahan suhu tinggi mungkin tidak semestinya penebat haba, tetapi dalam persekitaran kerja suhu tinggi, seramik penebat haba mesti memenuhi keperluan rintangan suhu tinggi dan penebat haba.

Seramik tahan suhu tinggi
Secara umumnya, seramik tahan suhu tinggi merujuk kepada nama umum bahan seramik yang suhu leburnya melebihi takat lebur silikon oksida (1728 ℃).Ia adalah bahagian penting seramik khas, dan kadang-kadang juga sebahagian daripada bahan refraktori suhu tinggi.

Mengikut komposisi kimia utama bahan seramik, ia boleh dibahagikan kepada seramik oksida suhu tinggi (seperti Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2, dll.), seramik karbida, seramik borida, seramik nitrida dan seramik silisid.Sebagai bahan struktur suhu tinggi, ia digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, tenaga atom, teknologi elektronik, jentera, industri kimia, metalurgi dan banyak jabatan lain.Ia adalah bahan kejuruteraan suhu tinggi yang sangat diperlukan untuk sains dan teknologi moden.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, apabila peleburan dan peralatan haba lain mengemukakan keperluan yang lebih tinggi dan lebih tinggi untuk bahan dan produk seramik tahan suhu tinggi, perkembangan pesat industri aeroangkasa juga telah merangsang pembangunan seramik tahan suhu tinggi, jadi kualiti dan kepelbagaiannya sentiasa dipertingkatkan. .Pada masa ini, bahan seramik tahan suhu tinggi komponen tunggal mempunyai kelemahan yang jelas dalam sifat kerana komposisi tunggalnya, seperti bahan korundum, suhu pensinteran yang tinggi, pekali pengembangan haba yang besar bagi sinter, rintangan kejutan haba yang lemah, dan rintangan pengoksidaan yang lemah bagi seramik silikon karbida. bahan.Di samping itu, bahan seramik tahan suhu tinggi sukar diproses, mempunyai rintangan kejutan haba yang lemah, dan tidak mudah untuk diikat dalam penggunaan, yang juga menggalakkan pembangunan komposit bahan seramik tahan suhu tinggi, seperti bahan Sialon, bahan komposit Sialon , bahan salutan seramik tahan suhu tinggi, bahan tahan suhu tinggi seramik komposit karbida, dsb.

Bahan seramik suhu ultra tinggi
Seramik suhu ultra tinggi (UHTC) merujuk kepada sebatian seramik dengan takat lebur lebih daripada 3000 ℃, seperti ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN, dll., yang mempunyai kestabilan termokimia yang sangat baik dan sifat fizikal yang sangat baik, termasuk tinggi. modulus elastik, kekerasan tinggi, tekanan wap tepu rendah, kekonduksian haba yang tinggi dan kekonduksian elektrik, kadar pengembangan haba sederhana dan rintangan kejutan haba yang baik, dan boleh mengekalkan kekuatan tinggi pada suhu tinggi, biasanya termasuk borida logam peralihan, karbida Nitrida dan kompositnya.

1. Seramik boride suhu ultra tinggi
Seramik borida suhu ultra tinggi terutamanya termasuk seramik HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 dan YB4.Bahan seramik ini mempunyai ciri-ciri takat lebur yang tinggi, kekerasan tinggi, kekuatan tinggi, kadar penyejatan rendah, kekonduksian terma yang tinggi dan kekonduksian kerana ikatan kovalennya yang kuat.ZrB2 dan HfB2 ialah UHTC yang paling banyak dikaji dalam seramik boride, tetapi rintangan pengoksidaan yang lemah mengehadkan penggunaannya yang luas.

2. Seramik karbida suhu ultra tinggi
Antara seramik karbida, ZrC, HfC, TaC dan TiC boleh digunakan pada suhu ultra tinggi.Seramik jenis ini mempunyai takat lebur yang sangat tinggi, tidak mengalami perubahan fasa pepejal semasa proses pemanasan atau penyejukan, dan mempunyai rintangan kejutan haba yang baik dan kekuatan suhu tinggi, tetapi keliatan patah UHTC karbida adalah rendah, dan rintangan pengoksidaan adalah miskin.

3. Seramik nitrida suhu ultra tinggi
Seramik nitrida suhu ultra tinggi seperti ZrN, HfN dan TaN juga mempunyai sifat yang baik.Nitrida logam peralihan mempunyai takat lebur yang tinggi.Walau bagaimanapun, takat lebur nitrida refraktori tersebut juga berkaitan dengan tekanan ambien, dan tidak semua nitrida refraktori sesuai untuk bekerja dalam persekitaran pengoksidaan suhu tinggi dan tekanan tinggi.Nitrida logam peralihan mempunyai aplikasi penting dalam lapisan keras permukaan alat pemotong.

Seramik penebat haba
Pada masa ini, penyelidikan mengenai seramik penebat haba kebanyakannya tertumpu kepada bahan seramik salutan penghalang haba.Salutan penghalang terma digunakan terutamanya dalam industri aeroengine, yang mempunyai kesan penebat haba yang baik dan rintangan pengoksidaan suhu tinggi.Ia adalah salah satu lapisan pelindung suhu tinggi yang paling maju pada masa ini.

Salutan penghalang terma mempunyai fungsi penebat haba, rintangan pengoksidaan suhu tinggi dan rintangan kakisan.Struktur tipikalnya ialah sistem dua lapisan, yang terdiri daripada lapisan penghalang haba seramik pada permukaan dan lapisan ikatan logam di tengah.Lapisan penghalang haba seramik sebenarnya memainkan peranan penebat dalam salutan penghalang haba, yang boleh mengurangkan pengaliran haba ke substrat logam dengan berkesan dan melindungi komponen utama.Bahan seramik yang sesuai untuk salutan penghalang haba hendaklah memenuhi keperluan takat lebur yang tinggi, kekonduksian haba yang rendah, padanan yang lebih baik bagi pekali pengembangan haba dengan matriks logam, kestabilan kimia yang baik pada suhu tinggi, lekatan tinggi dengan lapisan logam, dan tiada perubahan fasa antara suhu bilik dan suhu kerja.
1. Oksida menstabilkan ZrO2
ZrO2 yang distabilkan oksida mempunyai kekonduksian haba yang rendah, pekali pengembangan haba yang tinggi dan prestasi suhu tinggi yang baik, dan telah menjadi bahan seramik utama salutan penghalang haba untuk jangka masa yang panjang.Terdapat banyak jenis oksida yang digunakan untuk menstabilkan ZrO2, termasuk penstabil divalen seperti CaO dan MgO, penstabil trivalen seperti Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3, dan penstabil tetravalen seperti CeO2 dan HfO2.

2. Seramik ABO3 dengan struktur perovskit
Antara seramik ABO3 berstruktur perovskite, SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3, dan lain-lain digunakan dalam salutan penghalang haba pada peringkat awal.Walaupun takat lebur SrZrO3 setinggi 2690 ℃, kestabilan fasanya pada suhu tinggi adalah lemah, dan ia tidak sesuai digunakan secara bersendirian sebagai bahan salutan penghalang haba pada suhu tinggi.Takat lebur BaZrO3 ialah 2000 ℃, dan pekali pengembangannya jauh lebih rendah daripada YSZ, jadi rintangan kejutan habanya lemah.

3. A2B2O7 bahan seramik
A2B2O7 (A ialah unsur nadir bumi, B ialah Zr, Hf, Ce dan unsur-unsur lain) bahan seramik mempunyai kekonduksian terma yang lebih rendah daripada bahan ZrO2, pekali pengembangan haba yang setara dan kestabilan fasa suhu tinggi yang baik, dan dianggap sebagai bahan yang paling menjanjikan. sistem untuk menggantikan ZrO2.

4. Struktur magnetit MMeAl11O19 seramik
Struktur mikro hexaaluminate MMeAl11O19 (M ialah La, Nd, Sr dan unsur-unsur lain, Me ialah unsur logam alkali tanah, dsb.) seramik dengan struktur plumbum magnetit terdiri daripada lapisan yang disusun secara rawak.Ia adalah salutan penghalang haba yang dibangunkan lewat untuk mengekalkan struktur jangka panjang yang baik dan kestabilan terma pada suhu tinggi.Ia mempunyai kadar pensinteran jauh lebih rendah daripada bahan salutan penghalang haba berasaskan ZrO2.Terdapat banyak mikropori, dan ia mempunyai kesan penebat haba yang baik.

5. Bahan seramik lain
Sebagai tambahan kepada bahan seramik salutan penghalang haba di atas, bahan seramik lain dengan prospek aplikasi salutan penghalang haba juga telah dibangunkan.Y3Al5O12 (pendek kata YAG) juga merupakan bahan salutan penghalang haba yang baik, kepunyaan struktur garnet.Ia boleh mengekalkan kestabilan haba yang baik dari suhu bilik ke takat lebur (1970 ℃), dan mempunyai kekonduksian terma yang rendah.Kadar resapan oksigen dalam YAG adalah 10 susunan magnitud lebih kecil daripada ZrO2, jadi YAG boleh melindungi substrat dan lapisan ikatan logam dengan baik.