張波-超高溫陶瓷課件

停和業(yè)超高溫陶瓷演講者:張波12年11月27日停和業(yè)1超高溫陶瓷的概念°超高溫陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷的基本性能超高溫陶瓷的燒結(jié)工藝燒結(jié)助劑及其影響機(jī)理k1互超高溫陶瓷的概念2超高溫陶瓷的概念超高溫陶瓷超高溫陶瓷是指在高溫環(huán)境下(1650~220℃),以及在反應(yīng)氣氛中,能夠保持物理化學(xué)性能穩(wěn)定的一類特種陶瓷材料。與普通碳化物陶瓷,如碳化硅和氮化硅比較,其不僅使用溫度高,而且對高溫化學(xué)穩(wěn)定性和耐燒蝕性等有特殊的要求。了過渡金屬硼化物(如ZrB2、HB2、TaB2)、碳化物(如HC、TaC)和氮化物(HfN)k1互超高溫陶瓷的概念3石墨纖維抗蠕變性非常好、高熔點(diǎn)、較好精千維的高溫抗氧化性、良好的導(dǎo)熱性超高溫和抗熱震性能。與碳-碳復(fù)合材料相比:生產(chǎn)周期短、成本低、抗氧化性和抗熱解石墨00M燃性能好。Beo5001000150020002500溫度/℃圖121超高溫陶瓷與普通高溫陶瓷材料所屬區(qū)域石墨纖維4超高溫陶瓷晶體結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷材料原子之間通過很強(qiáng)的共價鍵結(jié)合。ZrB2,六方AB2結(jié)構(gòu)石墨狀硼原子與六方密堆的金屬原子層構(gòu)成:每個硼原子周圍有三個○金屬原子,及三個硼原子。每個金1產(chǎn)屬原子與十二個硼原子配位,六個金屬原子在同一層,兩個金屬原子在臨近的上下層金屬O二硼化物強(qiáng)化學(xué)鍵:限制a、c方向圖124AB2的結(jié)構(gòu)生長,可容納大量金屬原子(a)原子排布的俯視圖與側(cè)視圖;(b)金屬原子的變形超高溫陶瓷晶體結(jié)構(gòu)5超高溫陶瓷的性能力學(xué)性能、熱學(xué)性能3、電學(xué)性能4、高溫抗氧化性及機(jī)理5、無壓燒結(jié)k1互超高溫陶瓷的性能6力學(xué)性能材料彈性模量/彎曲強(qiáng)度溫度/T硬度/GPa/GPa5302~28.4HIB1400300170420H1-20%(wosc[140041018080020高硬度一強(qiáng)共價鍵232325,3-28.0硬度值波動:制備工藝不同導(dǎo)致材料晶粒尺寸和孔隙率不同所23ZrB-20%(vol)Sic340致1800270ZrB-30%(vol)Sic10892334827.0TiB300~370FiC333345130.0TaB.19-25Tac182力學(xué)性能712HB、-SCHiBSicZrBrSK溫度/圖125部分超高溫陶瓷彈性模量隨溫度的變化圖126部分超高溫陶瓷彎曲強(qiáng)度隨溫度的變化800℃以上彈性模量有較明顯下降彎曲強(qiáng)度開始隨溫度升高而增大,直到800℃以后,強(qiáng)度開始下降。幾種超高溫陶瓷比較而言,ZrB,-SiC復(fù)合陶瓷強(qiáng)度在800℃后隨溫度下降比較平緩,表明添加SC對ZB2陶瓷高溫強(qiáng)度是有利的。128熱學(xué)性能熱膨賬系數(shù)溫度范圍熱導(dǎo)率/10/KW/(m·K20~10277,6HiB,20%(vol)Sic20~2205HB,-20%(voDsic6.620~150020~10000082HINFrB.1027-20277,8400~160098.778127三種超高溫陶瓷熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化硼化物陶瓷都具有較高的熱導(dǎo)率,明顯比碳化物的熱導(dǎo)率高其熱導(dǎo)率隨溫度的升高有一定的下降,但均遠(yuǎn)大于氮化物和碳化物陶瓷(利于減小部件內(nèi)熱梯度,減小內(nèi)熱應(yīng)力)。siC的添加有利于降低HfB2陶瓷高溫階段熱膨脹系數(shù)的增大量熱學(xué)性能9電學(xué)性能材料溫度/℃25HIB-20%(voDSiC20HIB,30%(voD)SiC2020.3FrB20ZrB-20%(voDSiC63硼化物、碳化物超高溫陶瓷的電阻率如表124所示。這兩種材料具有如下特點(diǎn):①硼化物陶瓷電阻率比碳化物陶瓷電阻率要低得多,如HB1、ZB2在高溫下的電阻率分別為1×10-·cm和12.1×10-n·cm,而HC和ZrC在室溫下的電阻率分別是10900·cm和63×10n·cm;②HB2和ZrB2中添加SC后,電阻率有所下降,分別從1×10·cm下降到9.6×100·cm,從12.1×10n·cm下降到10.2×10-n·cm;③隨著溫度升高電阻率顯著增大,如ZB室溫電阻率為12.1×10-0·cm,在1000℃時增大到4×10n電學(xué)性能10張波-超高溫陶瓷課件11張波-超高溫陶瓷課件12張波-超高溫陶瓷課件13張波-超高溫陶瓷課件14張波-超高溫陶瓷課件15張波-超高溫陶瓷課件16張波-超高溫陶瓷課件17停和業(yè)超高溫陶瓷演講者:張波12年11月27日停和業(yè)18超高溫陶瓷的概念°超高溫陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷的基本性能超高溫陶瓷的燒結(jié)工藝燒結(jié)助劑及其影響機(jī)理k1互超高溫陶瓷的概念19超高溫陶瓷的概念超高溫陶瓷超高溫陶瓷是指在高溫環(huán)境下(1650~220℃),以及在反應(yīng)氣氛中,能夠保持物理化學(xué)性能穩(wěn)定的一類特種陶瓷材料。與普通碳化物陶瓷,如碳化硅和氮化硅比較,其不僅使用溫度高,而且對高溫化學(xué)穩(wěn)定性和耐燒蝕性等有特殊的要求。了過渡金屬硼化物(如ZrB2、HB2、TaB2)、碳化物(如HC、TaC)和氮化物(HfN)k1互超高溫陶瓷的概念20石墨纖維抗蠕變性非常好、高熔點(diǎn)、較好精千維的高溫抗氧化性、良好的導(dǎo)熱性超高溫和抗熱震性能。與碳-碳復(fù)合材料相比:生產(chǎn)周期短、成本低、抗氧化性和抗熱解石墨00M燃性能好。Beo5001000150020002500溫度/℃圖121超高溫陶瓷與普通高溫陶瓷材料所屬區(qū)域石墨纖維21超高溫陶瓷晶體結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷材料原子之間通過很強(qiáng)的共價鍵結(jié)合。ZrB2,六方AB2結(jié)構(gòu)石墨狀硼原子與六方密堆的金屬原子層構(gòu)成:每個硼原子周圍有三個○金屬原子,及三個硼原子。每個金1產(chǎn)屬原子與十二個硼原子配位,六個金屬原子在同一層,兩個金屬原子在臨近的上下層金屬O二硼化物強(qiáng)化學(xué)鍵:限制a、c方向圖124AB2的結(jié)構(gòu)生長,可容納大量金屬原子(a)原子排布的俯視圖與側(cè)視圖;(b)金屬原子的變形超高溫陶瓷晶體結(jié)構(gòu)22超高溫陶瓷的性能力學(xué)性能、熱學(xué)性能3、電學(xué)性能4、高溫抗氧化性及機(jī)理5、無壓燒結(jié)k1互超高溫陶瓷的性能23力學(xué)性能材料彈性模量/彎曲強(qiáng)度溫度/T硬度/GPa/GPa5302~28.4HIB1400300170420H1-20%(wosc[140041018080020高硬度一強(qiáng)共價鍵232325,3-28.0硬度值波動:制備工藝不同導(dǎo)致材料晶粒尺寸和孔隙率不同所23ZrB-20%(vol)Sic340致1800270ZrB-30%(vol)Sic10892334827.0TiB300~370FiC333345130.0TaB.19-25Tac182力學(xué)性能2412HB、-SCHiBSicZrBrSK溫度/圖125部分超高溫陶瓷彈性模量隨溫度的變化圖126部分超高溫陶瓷彎曲強(qiáng)度隨溫度的變化800℃以上彈性模量有較明顯下降彎曲強(qiáng)度開始隨溫度升高而增大,直到800℃以后,強(qiáng)度開始下降。幾種超高溫陶瓷比較而言,ZrB,-SiC復(fù)合陶瓷強(qiáng)度在800℃后隨溫度下降比較平緩,表明添加SC對ZB2陶瓷高溫強(qiáng)度是有利的。1225熱學(xué)性能熱膨賬系數(shù)溫度范圍熱導(dǎo)率/10/KW/(m·K20~10277,6HiB,20%(vol)Sic20~2205HB,-20%(voDsic6.620~150020~10000082HINFrB.1027-20277,8400~160098.778127三種超高溫陶瓷熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化硼化物陶瓷都具有較高的熱導(dǎo)率,明顯比碳化物的熱導(dǎo)率高其熱導(dǎo)率隨溫度的升高有一定的下降,但均遠(yuǎn)大于氮化物和碳化物陶瓷(利于減小部件內(nèi)熱梯度,減小內(nèi)熱應(yīng)力)。siC的添加有利于降低HfB2陶瓷高溫階段熱膨脹系數(shù)的增大量熱學(xué)性能26電學(xué)性能材料溫度/℃25HIB-20%(voDSiC20HIB,30%(voD)SiC2020.3FrB20ZrB-20%(voDSiC63硼化物、碳化物超高溫陶瓷的電阻率如表124所示。這兩種材料具有如下特點(diǎn):①硼化物陶瓷電阻率比碳化物陶瓷電阻率要低得多,如HB1、ZB2在高溫下的電阻率分別為1×10-·cm和12.1×10-n·cm,而HC和ZrC在室溫下的電阻率分別是10900·cm和63×10n·cm;②HB2和ZrB2中添加SC后,電阻率有所下降,分別從1×10·cm下降到9.6×1