Усовершенствованная керамика широко используется в химической промышленности, металлургии, машиностроении, аэрокосмической и других областях благодаря своим высокотемпературным характеристикам.Его высокотемпературные характеристики включают высокую термостойкость и теплоизоляцию.Каковы различия и связи между ними?
Керамика, устойчивая к высоким температурам, в основном нацелена на «высокую температуру плавления» керамики, то есть ее нелегко разрушить при высоких температурах, в то время как теплоизоляционная керамика в основном нацелена на «низкую теплопроводность» некоторых специальных керамик, то есть они могут изолировать тепло.Следует отметить, что когда мы говорим о «теплоизоляционных материалах», то обычно подразумевают «теплоизоляцию», «холодоизоляцию», «теплоизоляционные материалы» и т. д. В настоящее время исследования теплоизоляционной керамики в основном сосредоточены на теплоизоляционных материалах. изоляция при высоких температурах.Таким образом, в рамках этого прикладного исследования мы можем знать, что термостойкая керамика не обязательно может быть теплоизоляцией, но в высокотемпературных рабочих средах теплоизоляционная керамика должна соответствовать требованиям высокой термостойкости и теплоизоляции.

Керамика, устойчивая к высоким температурам
Вообще говоря, высокотемпературная устойчивая керамика относится к общему названию керамических материалов, температура плавления которых выше температуры плавления оксида кремния (1728 ℃).Это важная часть специальной керамики, а иногда и часть жаропрочных огнеупорных материалов.

По основному химическому составу керамические материалы можно разделить на высокотемпературную оксидную керамику (например, Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2 и др.), карбидную керамику, боридная керамика, нитридная керамика и силицидная керамика.Как высокотемпературный конструкционный материал, он широко используется в аэрокосмической, атомной энергетике, электронной технике, машиностроении, химической промышленности, металлургии и многих других областях.Это незаменимый высокотемпературный инженерный материал для современной науки и техники.

В последние годы, поскольку плавильное и другое термическое оборудование предъявляет все более высокие требования к термостойким керамическим материалам и изделиям, быстрое развитие аэрокосмической промышленности также стимулировало разработку жаропрочной керамики, поэтому ее качество и разнообразие постоянно улучшаются. .В настоящее время однокомпонентные керамические материалы, устойчивые к высоким температурам, имеют очевидные недостатки свойств из-за их единственного состава, таких как корундовые материалы, высокая температура спекания, большой коэффициент теплового расширения агломерата, низкая термостойкость и низкая стойкость к окислению карбидокремниевой керамики. материалы.Кроме того, устойчивые к высоким температурам керамические материалы трудно обрабатывать, они имеют низкую стойкость к тепловому удару и их нелегко склеивать при использовании, что также способствует разработке композитных керамических материалов, устойчивых к высоким температурам, таких как материалы Sialon, композитные материалы Sialon. , высокотемпературные керамические покрытия, карбидные композитные керамические высокотемпературные материалы и т. д.

Сверхвысокотемпературные керамические материалы
К сверхвысокотемпературной керамике (СВТК) относятся керамические соединения с температурой плавления более 3000 ℃, такие как ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN и т. д., обладающие отличной термохимической стабильностью и превосходными физическими свойствами, в том числе высокими модуль упругости, высокая твердость, низкое давление насыщенного пара, высокая теплопроводность и электропроводность, умеренная скорость теплового расширения и хорошая термостойкость, а также может сохранять высокую прочность при высоких температурах, обычно включая бориды переходных металлов, карбиды, нитриды и их композиты.

1. Сверхвысокотемпературная боридная керамика
Сверхвысокотемпературная боридная керамика в основном включает керамику HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 и YB4.Эти керамические материалы обладают такими характеристиками, как высокая температура плавления, высокая твердость, высокая прочность, низкая скорость испарения, высокая теплопроводность и проводимость благодаря их прочным ковалентным связям.ZrB2 и HfB2 являются наиболее широко изученными СВТК в боридной керамике, но их низкая стойкость к окислению ограничивает их широкое применение.

2. Сверхвысокотемпературная карбидная керамика
Среди карбидной керамики ZrC, HfC, TaC и TiC могут использоваться при сверхвысоких температурах.Этот вид керамики имеет очень высокую температуру плавления, не подвергается твердофазному превращению в процессе нагрева или охлаждения, обладает хорошей стойкостью к тепловому удару и высокой термостойкостью, но вязкость разрушения карбидных UHTC низкая, а стойкость к окислению низкая. бедные.

3. Сверхвысокотемпературная нитридная керамика
Нитридная керамика для сверхвысоких температур, такая как ZrN, HfN и TaN, также обладает хорошими свойствами.Нитриды переходных металлов имеют высокие температуры плавления.Однако температура плавления таких тугоплавких нитридов также связана с давлением окружающей среды, и не все тугоплавкие нитриды подходят для работы в среде окисления при высоких температурах и высоком давлении.Нитриды переходных металлов имеют важное применение в поверхностно-упрочненных слоях режущих инструментов.

Теплоизоляционная керамика
В настоящее время исследования в области теплоизоляционной керамики в основном сосредоточены на керамических материалах для теплозащитных покрытий.Термобарьерное покрытие в основном используется в авиационном двигателестроении, которое обладает хорошим теплоизоляционным эффектом и стойкостью к высокотемпературному окислению.В настоящее время это одно из самых передовых высокотемпературных защитных покрытий.

Термобарьерное покрытие выполняет функции теплоизоляции, стойкости к высокотемпературному окислению и коррозионной стойкости.Его типичная структура представляет собой двухслойную систему, состоящую из керамического термобарьерного слоя на поверхности и металлического связующего слоя посередине.Керамический термобарьерный слой фактически играет изолирующую роль в термобарьерном покрытии, которое может эффективно уменьшить теплопроводность к металлической подложке и защитить ключевые компоненты.Подходящие керамические материалы для термобарьерных покрытий должны соответствовать требованиям высокой температуры плавления, низкой теплопроводности, лучшего согласования коэффициента теплового расширения с металлической матрицей, хорошей химической стабильности при высокой температуре, высокой адгезии с металлическим слоем и отсутствия фазового перехода при комнатной температуре. и рабочая температура.
1. ZrO2, стабилизированный оксидом
Оксид ZrO2, стабилизированный оксидом, обладает низкой теплопроводностью, высоким коэффициентом теплового расширения и хорошими характеристиками при высоких температурах и долгое время был основным керамическим материалом теплозащитного покрытия.Существует множество видов оксидов, используемых для стабилизации ZrO2, включая двухвалентные стабилизаторы, такие как CaO и MgO, трехвалентные стабилизаторы, такие как Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3, и четырехвалентные стабилизаторы, такие как CeO2 и HfO2.

2. Керамика ABO3 со структурой перовскита
Среди перовскито-структурированной керамики ABO3 SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3 и т. д. использовались в теплозащитных покрытиях на ранней стадии.Хотя температура плавления SrZrO3 достигает 2690 ℃, его фазовая стабильность при высоких температурах плохая, и он не пригоден для использования отдельно в качестве теплозащитного покрытия при высоких температурах.Температура плавления BaZrO3 составляет 2000 ℃, а его коэффициент расширения намного ниже, чем у YSZ, поэтому его стойкость к тепловому удару плохая.

3. Керамические материалы A2B2O7
Керамический материал A2B2O7 (A — редкоземельный элемент, B — Zr, Hf, Ce и другие элементы) имеет более низкую теплопроводность, чем материал ZrO2, эквивалентный коэффициент теплового расширения и хорошую фазовую стабильность при высоких температурах, и считается наиболее перспективным материалом. система для замены ZrO2.

4. Керамика MMeAl11O19 со структурой магнетита.
Микроструктура гексаалюминатной MMeAl11O19 (M — La, Nd, Sr и др. элементы, Me — элемент щелочноземельного металла и др.) керамики со структурой магнетита-свинца состоит из хаотично расположенных слоев.Это термобарьерное покрытие, разработанное поздно для сохранения хорошей структуры и термической стабильности в течение длительного времени при высоких температурах.Его скорость спекания намного ниже, чем у материалов теплозащитного покрытия на основе ZrO2.В нем много микропор, и он обладает хорошим теплоизоляционным эффектом.

5. Другие керамические материалы
В дополнение к вышеперечисленным керамическим материалам теплозащитных покрытий также были разработаны другие керамические материалы с перспективами применения в качестве теплозащитных покрытий.Y3Al5O12 (сокращенно YAG) также является хорошим теплозащитным покрытием, принадлежащим к структуре граната.Он может сохранять хорошую термическую стабильность от комнатной температуры до точки плавления (1970 ℃) и имеет низкую теплопроводность.Скорость диффузии кислорода в YAG на 10 порядков меньше, чем в ZrO2, поэтому YAG может хорошо защитить подложку и металлический связующий слой.