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简单了解耐高温陶瓷与隔热陶瓷的区别

 众所周知,先进陶瓷凭借其高温特性被广泛应用于化工、冶金、机械、航空航天等领域。其高温特性又包括耐高温与隔热等特性,这两者有什么区别与联系呢?


耐高温陶瓷主要针对陶瓷的“高熔点”而言,即在高温下不易被破坏的特性,而隔热陶瓷主要是针对某些特殊陶瓷的“低热导率”而言,即起到热量的隔绝作用。需要注意的是,我们讲到“隔热材料”时,一般包括“隔热”、“隔冷”、“保温材料”等,而目前对隔热陶瓷的研究一般集中于在高温下的隔热,故在此应用研究范围内,我们可以知道,耐高温陶瓷不一定隔热,但在高温工作环境中,隔热陶瓷必须要满足耐高温与绝热特性。


耐高温陶瓷


一般来讲耐高温陶瓷是指熔融温度在氧化硅熔点(1728℃)以上的陶瓷材料的总称,它是特种陶瓷的重要组成部分,有时也作为高温耐火材料的组成部分。


按陶瓷材料主要化学组成可分为高温氧化物陶瓷(如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、ThO2、Cr2O3、SiO2、BeO、3Al2O3·2SiO2等),碳化物陶瓷,硼化物陶瓷,氮化物陶瓷及硅化物陶瓷等。作为高温结构材料,广泛用于宇航、原子能、电子技术、机械、化工、冶金等许多部门,是现代科学和技术不可缺少的高温工程材料。


近年来,由于冶炼及其他热工设备对耐高温陶瓷材料制品提出的要求越来越高,航空航天工业的飞速发展也刺激了耐高温陶瓷的发展,因此其质量不断提高,品种不断改善。现在单一组分的耐高温陶瓷材料因其成分的单一,在性质上存在着明显的不足,如刚玉材料,烧结温度高,烧结体的热膨胀系数大,抗热震性差,碳化硅陶瓷材料的抗氧化性较差等。而且耐高温陶瓷材料在使用中,加工困难,抗热震性差,不易进行粘结等缺点,也促使了耐高温陶瓷材料复合化的发展,如Sialon材料、Sialon复合相材料、耐高温陶瓷涂层材料、碳化物复合陶瓷耐高温材料等。


超高温陶瓷材料


超高温陶瓷(UHTC)是指熔点超过3000℃的陶瓷化合物,如ZrC、HfC、TaC、HfB2、ZrB2、HfN等,具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能,包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好的抗热震性能等,并能在高温下保持很高的强度,通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。


1、超高温硼化物陶瓷‍


超高温硼化物陶瓷主要有HfB2、ZrB2、TaB2、TiB2和YB4陶瓷。这些陶瓷材料由于含有较强共价键,因而具有高熔点、高硬度、高强度、低蒸发率、高热导率和电导率等特点。硼化物陶瓷中ZrB2和HfB2是目前研究最为广泛的UHTCs,但其较差的抗氧化性限制了其广泛应用。


2、超高温碳化物陶瓷‍


碳化物陶瓷中,能在超高温下环境下应用的有ZrC、HfC、TaC和TiC等。这类陶瓷有着非常高的熔点,在升温或降温过程中不发生固态相变,还有着较好的抗热震性和较高的高温强度,但碳化物UHTCs的断裂韧性较低,抗氧化性能差。


3、超高温氮化物陶瓷‍


超高温氮化物陶瓷如ZrN、HfN和TaN也有良好的性能。过渡金属氮化物都有着较高熔点。然而,此类难熔氮化物的熔点还与环境气压有关,并不是所有难熔氮化物都适合在高温高压的氧化环境下工作。过渡金属氮化物在切削工具表面硬化层上有着重要的应用。


隔热陶瓷


目前对隔热陶瓷的研究多集中在热障涂层陶瓷材料方面,热障涂层主要应用于航空发动机工业,具有良好的隔热效果与高温抗氧化性能,是目前最为先进的高温防护涂层之一。

热障涂层具有隔热、抗高温氧化和耐腐蚀等作用,其典型结构为双层系统,由表层的陶瓷热障层和中间的金属粘结层构成。在热障涂层中实际起隔热作用的是陶瓷热障层,它能有效减少向金属基体的热传导,保护关键零部件。合适的热障涂层陶瓷材料应满足高熔点、低热导率、热膨胀系数与金属基体较匹配、良好的高温化学稳定性、与金属层结合力高、在室温与工作温度之间无相变等要求。


1、氧化物稳定的ZrO2‍


氧化物稳定的ZrO2具有较低的热导率、较高的热膨胀系数和良好的高温性能,很长一段时期内充当着主要的热障涂层陶瓷材料。用于稳定ZrO2的氧化物种类繁多,二价稳定剂有CaO和MgO等,三价稳定剂有Y2O3,Sm2O3,Nd2O3,Er2O3等,四价稳定剂有CeO2,HfO2等。


2、钙钛矿结构的ABO3陶瓷


钙钛矿结构的ABO3陶瓷中,早期有SrZrO3,BaZrO3,MgZrO3等应用于热障涂层。尽管SrZrO3的熔点高达2690℃,但其在高温下相稳定性较差,不适宜单独用作高温下的热障涂层材料。BaZrO3的熔点为2000℃,其膨胀系数相比YSZ低得多,因而其抗热冲击性能欠佳。


3、A2B2O7陶瓷材料‍


A2B2O7(A为稀土元素,B为Zr,Hf,Ce等元素)陶瓷材料具有比ZrO2材料更低的热导率,相当的热膨胀系数及良好的高温相稳定性能,被认为是最有希望替代ZrO2的材料体系。


4、磁铁铅矿结构MMeAl11O19陶瓷‍


磁铁铅矿结构的六铝酸盐MMeAl11O19(M为La,Nd,Sr等元素,Me为碱土金属元素等)陶瓷显微结构由随机排列的片层组成,是较晚开发的用于高温下能保持长期良好的结构和热稳定性的热障涂层,具有远低于ZrO2基热障涂层材料的烧结速率,存在较多的微孔,有良好的热绝缘效果。


5、其它陶瓷材料‍


除上述已成体系的热障涂层陶瓷材料外,还开发了其他具有热障涂层应用前景的陶瓷材料。钇铝石榴石(Y3Al5O12,简称YAG)也是一种良好的热障涂层材料,属石榴石结构,其从室温至熔点(1970℃)均能保持良好的热稳定性,而且热导率低,氧在YAG内部的扩散率比在ZrO2中小10个数量级,因而YAG能很好地保护基体和金属粘结层。

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