当前位置:首页 > w88资讯 > w88应用技术 > 正文
耐热却不易传热,也能成为氮化硅陶瓷的应用优势!
2022年05月09日 发布 分类:w88应用技术 点击量:203
觉得文章不错?分享到:

先进陶瓷是制造业近年来最受关注的领域之一,作为一类新兴材料其相关产品凭借着多项优异特性在社会中发挥着重要的作用。其中,“氮化硅(Si3N4)”因具有高抗弯强度、高断裂韧性、良好的蠕变性、高硬度和高耐磨性等优异特性,各方面较为平衡,更是被誉为是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类,常被用于制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。


不过氮化硅看似样样好,却也存在一个“短板”,那就是热导率不高,不易传热。因此难以避免的会在一些对导热率有要求的应用领域遭受冷遇,比如说半导体器件生产所需的陶瓷基板,虽然很多人都希望氮化硅可以在该领域大展拳脚,但无奈机械性能再佳也难以弥补其热导率不足且成本高而与竞争品落下的距离。当然话不能说这么死,随着制备工艺的提升,氮化硅陶瓷基板的热导率已经有了明显的上升,因此相关应用进程也在一直推进中。

不过热导率不佳不代表就一定会阻碍氮化硅的应用推广。对于这种又耐高温,又不易传热的材料,恰恰一些“水深火热”的地方就很需要,比如说发动机,当使用氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面,不仅可以提高柴油机质量,节省燃料,而且能够提高热效率,目前中国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。

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机,里面的部件其实都是以金属材料为主。不过为了提高热效率,从上世纪90年代起业界便开始采用新型高温结构陶瓷材料代替金属部件。

当时的研究发现,进行替代后,由于陶瓷的耐火度高,可使进入涡轮机的气体温度提高到1600-1800℃,不用采取冷却等措施;而超级合金所能承受的临界温度一般不超过1000-1050℃。最终燃汽涡轮发动机的有效系数提高6%-10%;燃耗降低10%-30%,甚至不用价格昂贵的金属或稀有金属(如 Co、Ni、W 等),可以使用热值较低的燃料。


涡轮发动机构造

而氮化硅由于烧结时生成针状或者长柱状β型结晶相的缘故,与其它结构陶瓷材料相比具有更好的耐热性、断裂韧性、强度,能抵抗冷热冲击,哪怕在空气中加热到1000℃以上,急剧冷却再急剧加热,也不会碎裂,因此作为高温结构材料在发动机领域受到重用。在1998年时日本推出了输出功率为322kW陶瓷燃气轮机,所用的大部分材料是氮化硅陶瓷,其热效率高达42.1%,较常规燃气轮机高出一倍有多。可见,氮化硅的加入,确实为发动机带来了全新的发展机遇。

另外,氮化硅高温结构件的重要应用场合还有飞机的涡轮发动机。以飞机的涡轮喷气发动机为例,燃烧室燃烧区温度高达1800-2000℃,引入气流冷却后,燃烧室壁温仍然在900℃以上,常用高温合金(镍基及钴基合金)板材制造,为防止燃气冲刷、热腐蚀和隔热,还需要喷涂防护层;而氮化硅陶瓷耐热,可在1400℃时仍然有高的强度、刚度。此外,氮化硅陶瓷比密度小,密度仅为钢轴承的41%,可有效降低飞机发动机重量,减低油耗。

提高氮化硅部件质量的方式

目前已研发的氮化硅材料为主的发动机陶瓷零部件中,加热元件有起动电热塞和进气预燃器火花塞;耐热部件有涡流燃烧室镶块、燃油喷嘴针阀和进、排气控制阀;耐磨部件有摇臂镶块、挺杆和陶瓷滚动轴承;轻量件有增压器涡轮转子;此外还包括了燃气轮机叶片、活塞冠和活塞销、气门和气门导管、涡流室等。但是,要承受载荷并且满足高剪切应力下的高温抗裂纹扩展和抗蠕变的使用要求,需要进一步提高氮化硅陶瓷的高温力学性能高温抗氧化性能

自增韧氮化硅陶瓷是近年来发展的一项重要的补强增韧技术。自1979年Lange通过增大β-Si3N4晶粒的长径比,率先使氮化硅陶瓷的断裂韧性达到6MPa·m以来。许多利用长柱状晶种实现氮化硅陶瓷自增韧的研究结果被不断报导。通常β-Si3N4自增韧陶瓷的制备方法多是以α-Si3N4粉和约 10%(质量分数,下同)的 MgO,Y2O3-SiO2或Y2O3-Al2O3等几种添加剂通过热处理合成。


β-Si3N4晶种形貌

此外,也可以使用高温涂层来进一步加强氮化硅陶瓷的高温性能。如莫来石(Mullite)是 Al2O3-SiO2在常压下唯一稳定存在的二元系化合物,化学通式为3Al2O3-2SiO2。莫来石陶瓷的主要应用之一是作为环境阻障涂层材料(EBC)尤其是用于硅基陶瓷部件的保护层,应用于发动机的高温陶瓷部件。与氧化铝、氧化锆以及氧化钇稳定氧化锆等热障涂层材料相比较,莫来石的热膨胀系数与氮化硅陶瓷最为接近,高温物相稳定性好,可以有效地缓解改善高温工作环境中硅基陶瓷部件的高温腐蚀和热腐蚀,在发动机的高温陶瓷部件应用中很具潜力。


资料来源:

发动机高温部件的陶瓷材料应用及性能测试,翟华嶂,李建保,吴疆,才鸿年。

发动机用新材料——氮化硅陶瓷,孙钦英 朱秀英。

 

w88官网app整理

本文为w88官网app原创作品,未经许可,不得转载,也不得歪曲、篡改或复制本文内容,否则本公司将依法追究法律责任。

相关内容:
 

w88求购:

设备求购:

寻求帮助:

合作投稿:

w88技术:

关注w88官网app

了解w88资讯