เซรามิกส์ขั้นสูงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเคมี โลหะวิทยา เครื่องจักร การบินและอวกาศ และสาขาอื่นๆ เนื่องจากมีลักษณะที่อุณหภูมิสูงลักษณะที่อุณหภูมิสูง ได้แก่ ทนต่ออุณหภูมิสูงและเป็นฉนวนความร้อนอะไรคือความแตกต่างและความเชื่อมโยงระหว่างทั้งสอง?
เซรามิกส์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงส่วนใหญ่มุ่งเป้าไปที่ "จุดหลอมเหลวสูง" ของเซรามิก นั่นคือ เซรามิกเหล่านี้ไม่ถูกทำลายง่ายที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่เซรามิกฉนวนกันความร้อนมุ่งเป้าไปที่ "การนำความร้อนต่ำ" ของเซรามิกพิเศษบางชนิดเป็นหลัก นั่นคือสามารถแยกความร้อนได้ควรสังเกตว่าเมื่อเราพูดถึง "วัสดุฉนวนความร้อน" โดยทั่วไปจะรวมถึง "ฉนวนความร้อน" "ฉนวนความเย็น" "วัสดุฉนวนความร้อน" ฯลฯ ในปัจจุบันการวิจัยเกี่ยวกับเซรามิกฉนวนกันความร้อนโดยทั่วไปมุ่งเน้นไปที่การระบายความร้อน ฉนวนกันความร้อนที่อุณหภูมิสูงดังนั้น ภายในขอบเขตของการวิจัยการใช้งานนี้ เราสามารถทราบได้ว่าเซรามิกทนความร้อนสูงอาจไม่จำเป็นต้องเป็นฉนวนกันความร้อน แต่ในสภาพแวดล้อมการทำงานที่มีอุณหภูมิสูง เซรามิกที่เป็นฉนวนความร้อนจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของความต้านทานอุณหภูมิสูงและฉนวนกันความร้อน

เซรามิกทนอุณหภูมิสูง
โดยทั่วไปแล้ว เซรามิกทนอุณหภูมิสูงหมายถึงชื่อทั่วไปของวัสดุเซรามิกที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวสูงกว่าจุดหลอมเหลวของซิลิกอนออกไซด์ (1728 ℃)เป็นส่วนสำคัญของเซรามิกชนิดพิเศษ และบางครั้งก็เป็นส่วนหนึ่งของวัสดุทนไฟที่มีอุณหภูมิสูงด้วย

ตามองค์ประกอบทางเคมีหลักของวัสดุเซรามิก พวกเขาสามารถแบ่งออกเป็นเซรามิกออกไซด์อุณหภูมิสูง (เช่น Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, ThO2, Cr2O3, SiO2, BeO, 3Al2O3 · 2SiO2 เป็นต้น) เซรามิกคาร์ไบด์ เซรามิกส์บอไรด์ เซรามิกไนไตรด์ และเซรามิกซิลิไซด์ในฐานะที่เป็นวัสดุโครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูง จึงถูกใช้อย่างกว้างขวางในการบินและอวกาศ พลังงานปรมาณู เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักร อุตสาหกรรมเคมี โลหะวิทยา และแผนกอื่นๆ อีกมากมายเป็นวัสดุวิศวกรรมอุณหภูมิสูงที่ขาดไม่ได้สำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การถลุงแร่และอุปกรณ์ระบายความร้อนอื่นๆ ทำให้เกิดความต้องการที่สูงขึ้นและสูงขึ้นสำหรับวัสดุและผลิตภัณฑ์เซรามิกที่ทนต่ออุณหภูมิสูง การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมการบินและอวกาศได้กระตุ้นการพัฒนาเซรามิกที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ดังนั้นคุณภาพและความหลากหลายของผลิตภัณฑ์จึงมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง .ในปัจจุบัน วัสดุเซรามิกที่ทนต่ออุณหภูมิสูงแบบส่วนประกอบเดียวมีข้อบกพร่องที่เห็นได้ชัดในคุณสมบัติเนื่องจากองค์ประกอบเดี่ยว เช่น วัสดุคอรันดัม อุณหภูมิในการเผาผนึกสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูงของซินเตอร์ ความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อนต่ำ วัสดุ.นอกจากนี้ วัสดุเซรามิกที่ทนต่ออุณหภูมิสูงยังแปรรูปได้ยาก มีความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่ำ และไม่ง่ายต่อการยึดติดในการใช้งาน ซึ่งยังส่งเสริมการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตเซรามิกที่ทนต่ออุณหภูมิสูง เช่น วัสดุ Sialon วัสดุคอมโพสิต Sialon , วัสดุเคลือบเซรามิกทนความร้อนสูง , วัสดุคอมโพสิตเซรามิกคาร์ไบด์ทนความร้อนสูง เป็นต้น

วัสดุเซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ
เซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ (UHTC) หมายถึงสารประกอบเซรามิกที่มีจุดหลอมเหลวมากกว่า 3,000 ℃ เช่น ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2, HfN เป็นต้น ซึ่งมีความเสถียรทางความร้อนและคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม รวมทั้งสูง โมดูลัสยืดหยุ่น, ความแข็งสูง, ความดันไออิ่มตัวต่ำ, การนำความร้อนและการนำไฟฟ้าสูง, อัตราการขยายตัวทางความร้อนปานกลางและต้านทานแรงกระแทกจากความร้อนได้ดี และสามารถรักษาความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง โดยปกติรวมถึงบอไรด์โลหะทรานซิชัน คาร์ไบด์ ไนไตรด์ และวัสดุผสม

1. เซรามิกบอไรด์อุณหภูมิสูงพิเศษ
เซรามิกบอไรด์อุณหภูมิสูงพิเศษส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซรามิก HfB2, ZrB2, TaB2, TiB2 และ YB4วัสดุเซรามิกเหล่านี้มีลักษณะของจุดหลอมเหลวสูง ความแข็งสูง ความแข็งแรงสูง อัตราการระเหยต่ำ การนำความร้อนและการนำไฟฟ้าสูงเนื่องจากพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งZrB2 และ HfB2 เป็น UHTC ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุดในเซรามิกบอไรด์ แต่การต้านทานออกซิเดชันที่ต่ำจะจำกัดการใช้งานในวงกว้าง

2. เซรามิกคาร์ไบด์อุณหภูมิสูงพิเศษ
ในบรรดาเซรามิกคาร์ไบด์ ZrC, HfC, TaC และ TiC สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงพิเศษเซรามิกชนิดนี้มีจุดหลอมเหลวสูงมาก ไม่ผ่านการเปลี่ยนเฟสของแข็งในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนหรือความเย็น และมีความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อนและอุณหภูมิสูงได้ดี แต่ UHTC คาร์ไบด์มีความเหนียวแตกหักต่ำ และความต้านทานการเกิดออกซิเดชันคือ ยากจน.

3. เซรามิกไนไตรด์อุณหภูมิสูงพิเศษ
เซรามิกไนไตรด์อุณหภูมิสูงพิเศษ เช่น ZrN, HfN และ TaN ก็มีคุณสมบัติที่ดีเช่นกันไนไตรด์โลหะทรานซิชันมีจุดหลอมเหลวสูงอย่างไรก็ตาม จุดหลอมเหลวของไนไตรด์ทนไฟดังกล่าวยังสัมพันธ์กับความดันบรรยากาศ และไม่ใช่ไนไตรด์ทนไฟทุกชนิดที่เหมาะสำหรับการทำงานในสภาพแวดล้อมออกซิเดชันที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูงไนไตรด์โลหะทรานซิชันมีการใช้งานที่สำคัญในชั้นผิวแข็งของเครื่องมือตัด

เซรามิกฉนวนกันความร้อน
ในปัจจุบัน งานวิจัยเกี่ยวกับเซรามิกส์ที่เป็นฉนวนกันความร้อนส่วนใหญ่เน้นไปที่วัสดุเซรามิกเคลือบกันความร้อนการเคลือบป้องกันความร้อนส่วนใหญ่จะใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องยนต์อากาศยาน ซึ่งมีผลเป็นฉนวนความร้อนที่ดีและต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงเป็นหนึ่งในสารเคลือบป้องกันอุณหภูมิสูงที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบัน

การเคลือบป้องกันความร้อนมีหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน ต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง และต้านทานการกัดกร่อนโครงสร้างทั่วไปเป็นระบบสองชั้น ซึ่งประกอบด้วยชั้นกั้นความร้อนเซรามิกบนพื้นผิวและชั้นยึดโลหะตรงกลางชั้นกั้นความร้อนเซรามิกมีบทบาทเป็นฉนวนในการเคลือบกั้นความร้อน ซึ่งสามารถลดการนำความร้อนไปยังพื้นผิวโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพและปกป้องส่วนประกอบหลักวัสดุเซรามิกที่เหมาะสมสำหรับการเคลือบป้องกันความร้อนต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของจุดหลอมเหลวสูง การนำความร้อนต่ำ การจับคู่สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนกับเมทริกซ์โลหะที่ดีกว่า ความเสถียรทางเคมีที่ดีที่อุณหภูมิสูง การยึดเกาะสูงกับชั้นโลหะ และไม่เปลี่ยนเฟสระหว่างอุณหภูมิห้อง และอุณหภูมิในการทำงาน
1. ออกไซด์เสถียร ZrO2
ZrO2 ออกไซด์ที่เสถียรมีค่าการนำความร้อนต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง และประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงที่ดี และเป็นวัสดุเซรามิกหลักของการเคลือบป้องกันความร้อนเป็นเวลานานมีออกไซด์หลายชนิดที่ใช้เพื่อทำให้ ZrO2 เสถียร รวมถึงสารทำให้เสถียรแบบไดวาเลนต์ เช่น CaO และ MgO สารทำให้เสถียรแบบไตรวาเลนต์ เช่น Y2O3, Sm2O3, Nd2O3, Er2O3 และสารทำให้เสถียรแบบเตตระวาเลนต์ เช่น CeO2 และ HfO2

2. เซรามิก ABO3 ที่มีโครงสร้างเพอร์รอฟสไกต์
ในบรรดาเซรามิก ABO3 ที่มีโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ SrZrO3, BaZrO3, MgZrO3 ฯลฯ ถูกนำมาใช้ในการเคลือบป้องกันความร้อนในช่วงแรกแม้ว่าจุดหลอมเหลวของ SrZrO3 จะสูงถึง 2690 ℃ ความเสถียรของเฟสที่อุณหภูมิสูงนั้นไม่ดี และไม่เหมาะที่จะใช้เป็นวัสดุเคลือบป้องกันความร้อนเพียงอย่างเดียวที่อุณหภูมิสูงจุดหลอมเหลวของ BaZrO3 คือ 2,000 ℃ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำกว่าของ YSZ มาก ดังนั้นความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจึงต่ำ

3. วัสดุเซรามิก A2B2O7
A2B2O7 (A คือธาตุหายาก B คือ Zr, Hf, Ce และธาตุอื่นๆ) วัสดุเซรามิกมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าวัสดุ ZrO2 ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเทียบเท่าและความเสถียรของเฟสที่อุณหภูมิสูงที่ดี และถือเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุด ระบบแทนที่ ZrO2

4. โครงสร้างแมกนีไทต์ MMeAl11O19 เซรามิกส์
โครงสร้างจุลภาคของเฮกซะอะลูมิเนต MMeAl11O19 (M คือ La, Nd, Sr และธาตุอื่นๆ, Me คือธาตุโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ฯลฯ) เซรามิกที่มีโครงสร้างตะกั่วแบบแมกนีไทต์ประกอบด้วยชั้นที่จัดเรียงแบบสุ่มเป็นสารเคลือบป้องกันความร้อนที่พัฒนาขึ้นในภายหลังเพื่อรักษาโครงสร้างที่ดีในระยะยาวและเสถียรภาพทางความร้อนที่อุณหภูมิสูงมีอัตราการเผาผนึกต่ำกว่าวัสดุเคลือบป้องกันความร้อนที่ใช้ ZrO2 มากมี micropores จำนวนมากและมีผลเป็นฉนวนความร้อนที่ดี

5. วัสดุเซรามิกอื่น ๆ
นอกจากวัสดุเซรามิกข้างต้นของการเคลือบป้องกันความร้อนแล้ว ยังมีการพัฒนาวัสดุเซรามิกอื่น ๆ ที่มีความเป็นไปได้ในการใช้งานของการเคลือบป้องกันความร้อนอีกด้วยY3Al5O12 (เรียกสั้นๆ ว่า YAG) เป็นวัสดุเคลือบป้องกันความร้อนที่ดี ซึ่งเป็นของโครงสร้างโกเมนสามารถรักษาเสถียรภาพทางความร้อนได้ดีตั้งแต่อุณหภูมิห้องจนถึงจุดหลอมเหลว (1970 ℃) และมีค่าการนำความร้อนต่ำอัตราการแพร่ของออกซิเจนใน YAG มีขนาดเล็กกว่าใน ZrO2 ถึง 10 คำสั่ง ดังนั้น YAG จึงสามารถปกป้องพื้นผิวและชั้นพันธะโลหะได้ดี