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CAC2025 廣州先進陶瓷論壇暨展覽會

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耐熱卻不易傳熱,也能成為氮化硅陶瓷的應用優勢!
日期:2022-05-19    瀏覽次數:
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先進陶瓷是制造業近年來最受關注的領域之一,作為一類新興材料其相關產品憑借著多項優異特性在社會中發揮著重要的作用。其中,“氮化硅(Si3N4)”因具有高抗彎強度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和高耐磨性等優異特性,各方面較為平衡,更是被譽為是結構陶瓷家族中綜合性能最為優良的一類,常被用于制造軸承、氣輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件。

耐熱卻不易傳熱,也能成為氮化硅陶瓷的應用優勢!

不過氮化硅看似樣樣好,卻也存在一個“短板”,那就是熱導率不高,不易傳熱。因此難以避免的會在一些對導熱率有要求的應用領域遭受冷遇,比如說半導體器件生產所需的陶瓷基板,雖然很多人都希望氮化硅可以在該領域大展拳腳,但無奈機械性能再佳也難以彌補其熱導率不足且成本高而與競爭品落下的距離。當然話不能說這么死,隨著制備工藝的提升,氮化硅陶瓷基板的熱導率已經有了明顯的上升,因此相關應用進程也在一直推進中。

不過熱導率不佳不代表就一定會阻礙氮化硅的應用推廣。對于這種又耐高溫,又不易傳熱的材料,恰恰一些“水深火熱”的地方就很需要,比如說發動機,當使用氮化硅陶瓷來制造發動機部件的受熱面,不僅可以提高柴油機質量,節省燃料,而且能夠提高熱效率,目前中國及美國、日本等國家都已研制出了這種柴油機。

氮化硅在發動機中的應用

在早期,無論是汽油或者柴油發動機,里面的部件其實都是以金屬材料為主。不過為了提高熱效率,從上世紀90年代起業界便開始采用新型高溫結構陶瓷材料代替金屬部件。

當時的研究發現,進行替代后,由于陶瓷的耐火度高,可使進入渦輪機的氣體溫度提高到1600-1800℃,不用采取冷卻等措施;而超級合金所能承受的臨界溫度一般不超過1000-1050℃。最終燃汽渦輪發動機的有效系數提高6%-10%;燃耗降低10%-30%,甚至不用價格昂貴的金屬或稀有金屬(如 Co、Ni、W 等),可以使用熱值較低的燃料。

耐熱卻不易傳熱,也能成為氮化硅陶瓷的應用優勢!

渦輪發動機構造

而氮化硅由于燒結時生成針狀或者長柱狀β型結晶相的緣故,與其它結構陶瓷材料相比具有更好的耐熱性、斷裂韌性、強度,能抵抗冷熱沖擊,哪怕在空氣中加熱到1000℃以上,急劇冷卻再急劇加熱,也不會碎裂,因此作為高溫結構材料在發動機領域受到重用。在1998年時日本推出了輸出功率為322kW陶瓷燃氣輪機,所用的大部分材料是氮化硅陶瓷,其熱效率高達42.1%,較常規燃氣輪機高出一倍有多。可見,氮化硅的加入,確實為發動機帶來了全新的發展機遇。

另外,氮化硅高溫結構件的重要應用場合還有飛機的渦輪發動機。以飛機的渦輪噴氣發動機為例,燃燒室燃燒區溫度高達1800-2000℃,引入氣流冷卻后,燃燒室壁溫仍然在900℃以上,常用高溫合金(鎳基及鈷基合金)板材制造,為防止燃氣沖刷、熱腐蝕和隔熱,還需要噴涂防護層;而氮化硅陶瓷耐熱,可在1400℃時仍然有高的強度、剛度。此外,氮化硅陶瓷比密度小,密度僅為鋼軸承的41%,可有效降低飛機發動機重量,減低油耗。

提高氮化硅部件質量的方式

目前已研發的氮化硅材料為主的發動機陶瓷零部件中,加熱元件有起動電熱塞和進氣預燃器火花塞;耐熱部件有渦流燃燒室鑲塊、燃油噴嘴針閥和進、排氣控制閥;耐磨部件有搖臂鑲塊、挺桿和陶瓷滾動軸承;輕量件有增壓器渦輪轉子;此外還包括了燃氣輪機葉片、活塞冠和活塞銷、氣門和氣門導管、渦流室等。但是,要承受載荷并且滿足高剪切應力下的高溫抗裂紋擴展和抗蠕變的使用要求,需要進一步提高氮化硅陶瓷的高溫力學性能高溫抗氧化性能

自增韌氮化硅陶瓷是近年來發展的一項重要的補強增韌技術。自1979年Lange通過增大β-Si3N4晶粒的長徑比,率先使氮化硅陶瓷的斷裂韌性達到6MPa·m以來。許多利用長柱狀晶種實現氮化硅陶瓷自增韌的研究結果被不斷報導。通常β-Si3N4自增韌陶瓷的制備方法多是以α-Si3N4粉和約 10%(質量分數,下同)的 MgO,Y2O3-SiO2或Y2O3-Al2O3等幾種添加劑通過熱處理合成。

耐熱卻不易傳熱,也能成為氮化硅陶瓷的應用優勢!

β-Si3N4晶種形貌

此外,也可以使用高溫涂層來進一步加強氮化硅陶瓷的高溫性能。如莫來石(Mullite)是 Al2O3-SiO2在常壓下唯一穩定存在的二元系化合物,化學通式為3Al2O3-2SiO2。莫來石陶瓷的主要應用之一是作為環境阻障涂層材料(EBC)尤其是用于硅基陶瓷部件的保護層,應用于發動機的高溫陶瓷部件。與氧化鋁、氧化鋯以及氧化釔穩定氧化鋯等熱障涂層材料相比較,莫來石的熱膨脹系數與氮化硅陶瓷最為接近,高溫物相穩定性好,可以有效地緩解改善高溫工作環境中硅基陶瓷部件的高溫腐蝕和熱腐蝕,在發動機的高溫陶瓷部件應用中很具潛力。


資料來源:

發動機高溫部件的陶瓷材料應用及性能測試,翟華嶂,李建保,吳疆,才鴻年。

發動機用新材料——氮化硅陶瓷,孫欽英 朱秀英。

 

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