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耐热却不易传热,也能成为氮化硅陶瓷的应用优势!
日期:2022-05-19    浏览次数:
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先进陶瓷是制造(zao)业近年来最受关(guan)注的领域之一(yi),作为一(yi)类新(xin)兴(xing)材料其相关(guan)产品凭借着多(duo)项(xiang)优异特(te)性(xing)在社会中(zhong)发挥着重要的作用。其中(zhong),“氮化硅(Si3N4)”因具有高(gao)(gao)抗(kang)弯强度(du)、高(gao)(gao)断裂韧性、良好的(de)蠕(ru)变性、高(gao)(gao)硬度(du)和高(gao)(gao)耐磨(mo)性等优异(yi)特性,各方(fang)面较(jiao)为平(ping)衡,更是被(bei)誉为是结构(gou)陶(tao)瓷家(jia)族中综合性能(neng)最为优良的(de)一类,常被(bei)用于制造(zao)轴承、气轮机(ji)叶(ye)片、机(ji)械密封环、永久性模具等机(ji)械构(gou)件。

耐热却不易传热,也能成为氮化硅陶瓷的应用优势!

不(bu)过氮化硅(gui)看似样(yang)样(yang)好,却也(ye)存在(zai)一个(ge)“短板”,那就是热(re)(re)导率不(bu)高(gao),不(bu)易传(chuan)热(re)(re)。因此难(nan)(nan)以避(bi)免(mian)的(de)(de)(de)会在(zai)一些(xie)对导热(re)(re)率有(you)要求的(de)(de)(de)应(ying)用领(ling)域(yu)(yu)遭受(shou)冷遇(yu),比如(ru)说半导体器(qi)件生产所需的(de)(de)(de)陶瓷基板,虽然很多人(ren)都(dou)希望氮化硅(gui)可以在(zai)该领(ling)域(yu)(yu)大展(zhan)拳脚,但无(wu)奈(nai)机械性能再佳也(ye)难(nan)(nan)以弥补(bu)其热(re)(re)导率不(bu)足(zu)且成本高(gao)而与竞(jing)争品落(luo)下(xia)的(de)(de)(de)距离。当然话不(bu)能说这(zhei)么死,随(sui)着制备工艺的(de)(de)(de)提升,氮化硅(gui)陶瓷基板的(de)(de)(de)热(re)(re)导率已经有(you)了(le)明显的(de)(de)(de)上升,因此相(xiang)关应(ying)用进(jin)程也(ye)在(zai)一直推进(jin)中。

不过热导率不佳不代表就一(yi)定会阻碍(ai)氮化硅的(de)应用推广。对(dui)于(yu)这种又耐高(gao)温,又不易传热的(de)材料(liao),恰恰一(yi)些“水(shui)深火(huo)热”的(de)地方(fang)就很需(xu)要,比如(ru)说发动机,当使用氮(dan)化硅陶瓷来制(zhi)(zhi)造发(fa)动机(ji)(ji)部件(jian)的受热面(mian),不仅可以提高(gao)柴(chai)油(you)机(ji)(ji)质(zhi)量(liang),节省燃料,而且(qie)能够提高(gao)热效率,目前(qian)中国及美(mei)国、日本(ben)等国家都已研制(zhi)(zhi)出(chu)了这种柴(chai)油(you)机(ji)(ji)。

氮化硅在发动机中的应用

在早期,无论是汽油或者柴油发动(dong)机,里面的部件其实都是以金属材料(liao)为(wei)主。不(bu)过为(wei)了提高热(re)效率(lv),从上世纪(ji)90年代起业界便(bian)开始采用(yong)新型高温结构陶瓷材料(liao)代替金属部件。

当时的(de)(de)研究发现,进行替代后(hou),由于陶瓷的(de)(de)耐(nai)火度(du)高,可使进入涡轮(lun)机(ji)的(de)(de)气体温(wen)(wen)度(du)提高到1600-1800℃,不(bu)用采取冷却等措施;而(er)超(chao)级合金(jin)所能承受的(de)(de)临界温(wen)(wen)度(du)一般不(bu)超(chao)过(guo)1000-1050℃。最终燃汽涡轮(lun)发动机(ji)的(de)(de)有效系数提高6%-10%;燃耗(hao)降低(di)10%-30%,甚至(zhi)不(bu)用价格昂贵的(de)(de)金(jin)属或稀有金(jin)属(如 Co、Ni、W 等),可以(yi)使用热值较低(di)的(de)(de)燃料(liao)。

耐热却不易传热,也能成为氮化硅陶瓷的应用优势!

涡轮发动机(ji)构(gou)造

而氮(dan)化硅由(you)于烧结时生成针状或(huo)者长柱状β型结晶相(xiang)的缘故,与(yu)其(qi)它结构(gou)陶瓷材料相(xiang)比具(ju)有更好的耐热(re)性、断(duan)裂韧性、强度(du),能抵抗(kang)冷热(re)冲击,哪怕(pa)在空(kong)气(qi)中加热(re)到1000℃以上,急(ji)剧冷却再急(ji)剧加热(re),也不会碎(sui)裂,因(yin)此作为高(gao)温(wen)结构(gou)材料在发动(dong)机(ji)(ji)领域受到重用。在1998年时日本推出了输出功率为322kW陶瓷燃气(qi)轮机(ji)(ji),所用的大(da)部分(fen)材料是氮(dan)化硅陶瓷,其(qi)热(re)效率高(gao)达(da)42.1%,较常规燃气(qi)轮机(ji)(ji)高(gao)出一倍有多。可见,氮(dan)化硅的加入,确实为发动(dong)机(ji)(ji)带来了全(quan)新的发展机(ji)(ji)遇。

另外,氮(dan)化(hua)(hua)硅(gui)高(gao)温(wen)(wen)结构件的(de)重要(yao)(yao)应用(yong)场合还有(you)飞机(ji)(ji)(ji)的(de)涡轮发动(dong)机(ji)(ji)(ji)。以飞机(ji)(ji)(ji)的(de)涡轮喷(pen)气(qi)发动(dong)机(ji)(ji)(ji)为例,燃(ran)(ran)(ran)烧(shao)室燃(ran)(ran)(ran)烧(shao)区温(wen)(wen)度(du)(du)高(gao)达1800-2000℃,引入气(qi)流冷却(que)后,燃(ran)(ran)(ran)烧(shao)室壁温(wen)(wen)仍(reng)然(ran)在900℃以上,常用(yong)高(gao)温(wen)(wen)合金(镍基(ji)及钴(gu)基(ji)合金)板材(cai)制造,为防止燃(ran)(ran)(ran)气(qi)冲刷、热(re)(re)腐蚀和隔(ge)热(re)(re),还需要(yao)(yao)喷(pen)涂(tu)防护层;而氮(dan)化(hua)(hua)硅(gui)陶瓷耐热(re)(re),可在1400℃时仍(reng)然(ran)有(you)高(gao)的(de)强度(du)(du)、刚度(du)(du)。此外,氮(dan)化(hua)(hua)硅(gui)陶瓷比密(mi)度(du)(du)小,密(mi)度(du)(du)仅(jin)为钢轴(zhou)承(cheng)的(de)41%,可有(you)效降低飞机(ji)(ji)(ji)发动(dong)机(ji)(ji)(ji)重量,减低油耗。

提高(gao)氮化硅(gui)部件质量的方式

目前已研发(fa)的(de)(de)氮(dan)化硅(gui)材料为主的(de)(de)发(fa)动(dong)(dong)机陶(tao)瓷零部件(jian)(jian)(jian)中(zhong),加(jia)热(re)元件(jian)(jian)(jian)有起(qi)动(dong)(dong)电(dian)热(re)塞和(he)(he)进(jin)气(qi)(qi)预燃(ran)器火花塞;耐(nai)热(re)部件(jian)(jian)(jian)有涡(wo)(wo)流燃(ran)烧室(shi)镶块(kuai)、燃(ran)油喷嘴针(zhen)阀和(he)(he)进(jin)、排气(qi)(qi)控制阀;耐(nai)磨部件(jian)(jian)(jian)有摇臂镶块(kuai)、挺杆和(he)(he)陶(tao)瓷滚动(dong)(dong)轴承;轻(qing)量件(jian)(jian)(jian)有增压(ya)器涡(wo)(wo)轮(lun)转子;此(ci)外还包括了燃(ran)气(qi)(qi)轮(lun)机叶片、活(huo)塞冠(guan)和(he)(he)活(huo)塞销、气(qi)(qi)门和(he)(he)气(qi)(qi)门导管、涡(wo)(wo)流室(shi)等。但是,要(yao)承受载(zai)荷并且满足高(gao)剪切应力下(xia)的(de)(de)高(gao)温抗(kang)裂纹(wen)扩展(zhan)和(he)(he)抗(kang)蠕变的(de)(de)使用(yong)要(yao)求,需要(yao)进(jin)一(yi)步提高(gao)氮(dan)化硅(gui)陶(tao)瓷的(de)(de)高(gao)温力学性能高温抗氧(yang)化(hua)性(xing)能(neng)

自增韧氮(dan)化硅陶瓷是(shi)近年(nian)来发展的一项重要的补强增韧技术。自1979年(nian)Lange通过增大(da)β-Si3N4晶粒的长径比,率先使氮化硅陶瓷的断(duan)裂韧性达(da)到6MPa·m以来。许多利用长柱(zhu)状晶种实(shi)现氮化硅陶瓷自增韧的研究(jiu)结果被不断(duan)报导。通(tong)常(chang)β-Si3N4自增韧陶瓷的制备方(fang)法多是(shi)以(yi)α-Si3N4粉和(he)约 10%(质量分数,下(xia)同)的 MgO,Y2O3-SiO2或(huo)Y2O3-Al2O3等几种添加剂通过热处理合(he)成。

耐热却不易传热,也能成为氮化硅陶瓷的应用优势!

β-Si3N4晶种形貌

此外,也可以(yi)使用(yong)高温涂层来进一步加强氮化硅陶(tao)瓷的(de)高温性能。如莫来石(Mullite)是 Al2O3-SiO2在常压下(xia)唯一稳定存在的(de)二元系(xi)化合物,化学通式为(wei)3Al2O3-2SiO2。莫(mo)来石陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)的主要应用之一是作(zuo)为环境(jing)阻障(zhang)涂(tu)层材(cai)料(EBC)尤其是用于硅基(ji)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)部(bu)件的保护(hu)层,应用于发动机(ji)的高(gao)(gao)温(wen)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)部(bu)件。与氧(yang)化铝、氧(yang)化锆(gao)以(yi)及氧(yang)化钇稳(wen)定氧(yang)化锆(gao)等热(re)(re)障(zhang)涂(tu)层材(cai)料相(xiang)比较,莫(mo)来石的热(re)(re)膨胀系(xi)数与氮化硅陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)最(zui)为接近,高(gao)(gao)温(wen)物(wu)相(xiang)稳(wen)定性好(hao),可以(yi)有效(xiao)地缓(huan)解改善高(gao)(gao)温(wen)工(gong)作(zuo)环境(jing)中硅基(ji)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)部(bu)件的高(gao)(gao)温(wen)腐蚀(shi)和热(re)(re)腐蚀(shi),在发动机(ji)的高(gao)(gao)温(wen)陶(tao)(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)部(bu)件应用中很具潜力。


资料(liao)来源(yuan):

发动机高温部件(jian)的陶瓷材料应(ying)用及性(xing)能测试,翟华嶂,李建保,吴疆,才鸿年。

发动机用新材料——氮化硅(gui)陶瓷,孙钦英(ying) 朱(zhu)秀英(ying)。

 

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