В зависимости от своих высокотемпературных характеристик усовершенствованная керамика широко используется в химической промышленности, металлургии, машиностроении, аэрокосмической и других областях.Его высокотемпературные характеристики включают высокую термостойкость и теплоизоляцию.

Знаете ли вы различия или связи между ними?
Керамика, устойчивая к высоким температурам, в основном нацелена на «высокую температуру плавления» керамики.Другими словами, они не легко разрушаются при высоких температурах, в то время как теплоизоляционная керамика в основном нацелена на «низкую теплопроводность» какой-то специальной керамики, то есть может изолировать тепло.Обсуждаемые «теплоизоляционные материалы» включают «теплоизоляцию», «холодоизоляцию», «теплоизоляционные материалы» и т. д. Настоящее исследование теплоизоляционной керамики в основном сосредоточено на теплоизоляции при высоких температурах.Следовательно, в рамках данного прикладного исследования термостойкая керамика не обязательно может быть теплоизоляцией.Однако 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 последнее время плавильное и другое термическое оборудование выдвигает все более высокие требования к жаростойким керамическим материалам и изделиям.Быстрое развитие аэрокосмической промышленности также стимулировало разработку термостойкой керамики с целью улучшения ее качества и разнообразия.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 плохо поддаются обработке.Они имеют низкую стойкость к тепловому удару. Кроме того, их нелегко склеивать при использовании, что также способствует разработке композитных керамических материалов, устойчивых к высоким температурам, таких как материалы Sialon, композитные материалы Sialon, высокотемпературные материалы для керамического покрытия, карбидная композитная керамика. материалы, устойчивые к высоким температурам 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.

Они обладают отличной термохимической стабильностью и отличными физическими свойствами, включая высокий модуль упругости, высокую твердость, низкое давление насыщенного пара, высокую теплопроводность и электропроводность, умеренную скорость теплового расширения и хорошую стойкость к тепловому удару.Они могут 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 изученными СВТК в боридной керамике.Однако 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.Он не подвергается твердофазному превращению в процессе нагревания или охлаждения, обладает хорошей стойкостью к тепловому удару и высокой термостойкостью.однако вязкость разрушения карбида UHTC низкая, а стойкость к окислению низкая.

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.Не все тугоплавкие нитриды пригодны для работы в условиях окисления при высоких температурах и давлениях.Нитриды переходных металлов имеют важное применение в поверхностно-упрочненных слоях режущих инструментов.

Теплоизоляционная керамика
Настоящие исследования в области теплоизоляционной керамики в основном сосредоточены на керамических материалах с термобарьерным покрытием.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 теплозащитном покрытии.Он 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
Стабилизированный оксидом ZrO2 обладает низкой теплопроводностью, высоким коэффициентом теплового расширения и хорошими характеристиками при высоких температурах.Он долгое время был основным керамическим материалом термобарьерного 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.Температура плавления SrZrO3 достигает 2690 ℃.Однако его фазовая стабильность при высоких температурах плохая.Он не подходит для использования отдельно в качестве теплозащитного покрытия при высоких температурах.Температура плавления BaZrO3 составляет 2000 ℃.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.Это эквивалентный коэффициент теплового расширения и хорошая фазовая стабильность при высоких температурах.Между тем, он считается наиболее перспективной системой материалов 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.В качестве термобарьерного покрытия оно разработано 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.Наличие большого количества микропор для обеспечения хорошего теплоизоляционного эффекта.

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 не только сохранять хорошую термическую стабильность от комнатной температуры до температуры плавления (1970 ℃), но и иметь низкую теплопроводность.Скорость диффузии кислорода в ИАГ на 10 порядков меньше, чем в ZrO2.Таким образом, YAG может хорошо защитить подложку и металлический связующий слой.