Cerâmicas avançadas são amplamente utilizadas na indústria química, metalurgia, maquinário, aeroespacial e outros campos devido às suas características de alta temperatura.Suas características de alta temperatura incluem resistência a altas temperaturas e isolamento térmico.Quais são as diferenças e conexões entre os dois?
As cerâmicas resistentes a altas temperaturas são voltadas principalmente para o "alto ponto de fusão" da cerâmica, ou seja, não são fáceis de serem destruídas em altas temperaturas, enquanto as cerâmicas de isolamento térmico são voltadas principalmente para a "baixa condutividade térmica" de algumas cerâmicas especiais, ou seja, eles podem isolar o calor.Note-se que quando falamos de "materiais de isolamento térmico", eles geralmente incluem "isolamento térmico", "isolamento frio", "materiais isolantes térmicos", etc. isolamento em altas temperaturas.Portanto, dentro do escopo desta pesquisa de aplicação, podemos saber que a cerâmica resistente a altas temperaturas pode não ser necessariamente um isolamento térmico, mas em ambientes de trabalho de alta temperatura, a cerâmica de isolamento térmico deve atender aos requisitos de resistência a altas temperaturas e isolamento térmico.

Cerâmica resistente a altas temperaturas
De um modo geral, as cerâmicas resistentes a altas temperaturas referem-se ao nome geral de materiais cerâmicos cuja temperatura de fusão está acima do ponto de fusão do óxido de silício (1728 ℃).É uma parte importante de cerâmicas especiais e, às vezes, também uma parte de materiais refratários de alta temperatura.

De acordo com a composição química principal dos materiais cerâmicos, eles podem ser divididos em cerâmica de óxido de alta temperatura (como Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2, etc.), cerâmica de carboneto, cerâmica de boreto, cerâmica de nitreto e cerâmica de silicídio.Como um material estrutural de alta temperatura, é amplamente utilizado na indústria aeroespacial, energia atômica, tecnologia eletrônica, maquinário, indústria química, metalurgia e muitos outros departamentos.É um material de engenharia de alta temperatura indispensável para a ciência e tecnologia modernas.

Nos últimos anos, como a fundição e outros equipamentos térmicos apresentam requisitos cada vez mais altos para materiais e produtos cerâmicos resistentes a altas temperaturas, o rápido desenvolvimento da indústria aeroespacial também estimulou o desenvolvimento de cerâmicas resistentes a altas temperaturas, de modo que sua qualidade e variedade são constantemente aprimoradas .Atualmente, os materiais cerâmicos monocomponentes resistentes a altas temperaturas têm deficiências óbvias nas propriedades devido à sua composição única, como materiais de corindo, alta temperatura de sinterização, grande coeficiente de expansão térmica do sinter, baixa resistência ao choque térmico e baixa resistência à oxidação da cerâmica de carboneto de silício materiais.Além disso, os materiais cerâmicos resistentes a altas temperaturas são difíceis de processar, têm baixa resistência ao choque térmico e não são fáceis de colar em uso, o que também promove o desenvolvimento de compostos de materiais cerâmicos resistentes a altas temperaturas, como materiais Sialon, materiais compostos Sialon , materiais de revestimento cerâmico resistentes a altas temperaturas, materiais cerâmicos compostos de carboneto resistentes a altas temperaturas, etc.

Materiais cerâmicos de ultra alta temperatura
Cerâmica de temperatura ultra alta (UHTC) refere-se a compostos cerâmicos com ponto de fusão superior a 3000 ℃, como ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN, etc., que possuem excelente estabilidade termoquímica e excelentes propriedades físicas, incluindo alta módulo elástico, alta dureza, baixa pressão de vapor saturado, alta condutividade térmica e condutividade elétrica, taxa de expansão térmica moderada e boa resistência ao choque térmico, e pode manter alta resistência em altas temperaturas, geralmente incluindo boretos de metais de transição, carbonetos nitretos e seus compostos.

1. Cerâmica de boreto de temperatura ultra-alta
As cerâmicas de boreto de temperatura ultra alta incluem principalmente as cerâmicas HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 e YB4.Esses materiais cerâmicos têm as características de alto ponto de fusão, alta dureza, alta resistência, baixa taxa de evaporação, alta condutividade térmica e condutividade devido às suas fortes ligações covalentes.ZrB2 e HfB2 são os UHTCs mais amplamente estudados em cerâmica de boreto, mas sua baixa resistência à oxidação limita sua ampla aplicação.

2. Cerâmica de carboneto de temperatura ultra-alta
Entre as cerâmicas de carboneto, ZrC, HfC, TaC e TiC podem ser usados ​​em temperaturas ultra-altas.Este tipo de cerâmica tem um ponto de fusão muito alto, não sofre transformação de fase sólida durante o processo de aquecimento ou resfriamento e tem boa resistência ao choque térmico e resistência a altas temperaturas, mas a tenacidade à fratura dos UHTCs de metal duro é baixa e a resistência à oxidação é pobre.

3. Cerâmica de nitreto de temperatura ultra-alta
As cerâmicas de nitreto de temperatura ultra-alta, como ZrN, HfN e TaN, também têm boas propriedades.Os nitretos de metais de transição têm pontos de fusão elevados.No entanto, o ponto de fusão desses nitretos refratários também está relacionado à pressão ambiente, e nem todos os nitretos refratários são adequados para trabalhar em ambiente de oxidação de alta temperatura e alta pressão.Os nitretos de metais de transição têm aplicações importantes na camada endurecida da superfície de ferramentas de corte.

Cerâmica de isolamento térmico
Atualmente, a pesquisa em cerâmica de isolamento térmico é principalmente focada em materiais cerâmicos de revestimento de barreira térmica.O revestimento de barreira térmica é usado principalmente na indústria de motores aeronáuticos, que possui bom efeito de isolamento térmico e resistência à oxidação em altas temperaturas.É um dos revestimentos protetores de alta temperatura mais avançados atualmente.

Revestimento de barreira térmica tem as funções de isolamento térmico, resistência à oxidação de alta temperatura e resistência à corrosão.Sua estrutura típica é um sistema de camada dupla, consistindo de uma camada de barreira térmica de cerâmica na superfície e uma camada de ligação de metal no meio.A camada de barreira térmica de cerâmica realmente desempenha um papel isolante no revestimento de barreira térmica, o que pode efetivamente reduzir a condução de calor para o substrato de metal e proteger os principais componentes.Materiais cerâmicos adequados para revestimentos de barreira térmica devem atender aos requisitos de alto ponto de fusão, baixa condutividade térmica, melhor correspondência do coeficiente de expansão térmica com matriz metálica, boa estabilidade química em alta temperatura, alta adesão com camada de metal e nenhuma mudança de fase entre a temperatura ambiente e temperatura de trabalho.
1. ZrO2 estabilizado com óxido
O ZrO2 estabilizado com óxido tem baixa condutividade térmica, alto coeficiente de expansão térmica e bom desempenho em altas temperaturas, e tem sido o principal material cerâmico de revestimento de barreira térmica por um longo período de tempo.Existem muitos tipos de óxidos usados ​​para estabilizar o ZrO2, incluindo estabilizadores divalentes como CaO e MgO, estabilizadores trivalentes como Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3 e estabilizadores tetravalentes como CeO2 e HfO2.

2. Cerâmica ABO3 com estrutura de perovskita
Entre as cerâmicas ABO3 estruturadas em perovskita, SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3, etc. foram usados ​​em revestimentos de barreira térmica no estágio inicial.Embora o ponto de fusão do SrZrO3 seja tão alto quanto 2690 ℃, sua estabilidade de fase em altas temperaturas é ruim e não é adequado para ser usado sozinho como material de revestimento de barreira térmica em altas temperaturas.O ponto de fusão do BaZrO3 é de 2.000 ℃ e seu coeficiente de expansão é muito menor que o do YSZ, portanto sua resistência ao choque térmico é baixa.

3. Materiais cerâmicos A2B2O7
A2B2O7 (A é um elemento de terras raras, B é Zr, Hf, Ce e outros elementos) o material cerâmico tem menor condutividade térmica do que o material ZrO2, coeficiente de expansão térmica equivalente e boa estabilidade de fase em alta temperatura e é considerado o material mais promissor sistema para substituir o ZrO2.

4. Estrutura de magnetita MMeAl11O19 cerâmica
A microestrutura de hexaaluminato MMeAl11O19 (M é La, Nd, Sr e outros elementos, Me é elemento de metal alcalino-terroso, etc.) cerâmica com estrutura de chumbo de magnetita é composta de camadas dispostas aleatoriamente.É um revestimento de barreira térmica desenvolvido tardiamente para manter uma boa estrutura e estabilidade térmica a longo prazo em altas temperaturas.Tem uma taxa de sinterização muito inferior à dos materiais de revestimento de barreira térmica à base de ZrO2.Existem muitos microporos e tem um bom efeito de isolamento térmico.

5. Outros materiais cerâmicos
Além dos materiais cerâmicos acima para revestimentos de barreira térmica, também foram desenvolvidos outros materiais cerâmicos com perspectivas de aplicação de revestimentos de barreira térmica.Y3Al5O12 (YAG para abreviar) também é um bom material de revestimento de barreira térmica, pertencente à estrutura granada.Ele pode manter uma boa estabilidade térmica desde a temperatura ambiente até o ponto de fusão (1970 ℃) e possui baixa condutividade térmica.A taxa de difusão do oxigênio no YAG é 10 ordens de grandeza menor do que no ZrO2, então o YAG pode proteger bem o substrato e a camada de ligação do metal.