停和業超高溫陶瓷演講者:張波12年11月27日停和業1超高溫陶瓷的概念°超高溫陶瓷的晶體結構超高溫陶瓷的基本性能超高溫陶瓷的燒結工藝燒結助劑及其影響機理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境下(1650~220℃),以及在反應氣氛中,能夠保持物理化學性能穩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,而且對高溫化學穩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、較好精千維的高溫抗氧化性、良好的導熱性超高溫和抗熱震性能。與碳-碳復合材料相比:生產周期短、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域石墨纖維4超高溫陶瓷晶體結構超高溫陶瓷材料原子之間通過很強的共價鍵結合。ZrB2,六方AB2結構石墨狀硼原子與六方密堆的金屬原子層構成: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二硼化物強化學鍵:限制a、c方向圖124AB2的結構生長,可容納大量金屬原子(a)原子排布的俯視圖與側視圖;(b)金屬原子的變形超高溫陶瓷晶體結構5超高溫陶瓷的性能力學性能、熱學性能3、電學性能4、高溫抗氧化性及機理5、無壓燒結k1互超高溫陶瓷的性能6力學性能材料彈性模量/彎曲強度溫度/T硬度/GPa/GPa5302~28.4HIB1400300170420H1-20%(wosc[140041018080020高硬度一強共價鍵232325,3-28.0硬度值波動:制備工藝不同導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度隨溫度的變化800℃以上彈性模量有較明顯下降彎曲強度開始隨溫度升高而增大,直到800℃以后,強度開始下降。幾種超高溫陶瓷比較而言,ZrB,-SiC復合陶瓷強度在800℃后隨溫度下降比較平緩,表明添加SC對ZB2陶瓷高溫強度是有利的。128熱學性能熱膨賬系數溫度范圍熱導率/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隨溫度的變化硼化物陶瓷都具有較高的熱導率,明顯比碳化物的熱導率高其熱導率隨溫度的升高有一定的下降,但均遠大于氮化物和碳化物陶瓷(利于減小部件內熱梯度,減小內熱應力)。siC的添加有利于降低HfB2陶瓷高溫階段熱膨脹系數的增大量熱學性能9電學性能材料溫度/℃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: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停和業超高溫陶瓷演講者:張波12年11月27日停和業18超高溫陶瓷的概念°超高溫陶瓷的晶體結構超高溫陶瓷的基本性能超高溫陶瓷的燒結工藝燒結助劑及其影響機理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境下(1650~220℃),以及在反應氣氛中,能夠保持物理化學性能穩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,而且對高溫化學穩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、較好精千維的高溫抗氧化性、良好的導熱性超高溫和抗熱震性能。與碳-碳復合材料相比:生產周期短、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域石墨纖維21超高溫陶瓷晶體結構超高溫陶瓷材料原子之間通過很強的共價鍵結合。ZrB2,六方AB2結構石墨狀硼原子與六方密堆的金屬原子層構成: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二硼化物強化學鍵:限制a、c方向圖124AB2的結構生長,可容納大量金屬原子(a)原子排布的俯視圖與側視圖;(b)金屬原子的變形超高溫陶瓷晶體結構22超高溫陶瓷的性能力學性能、熱學性能3、電學性能4、高溫抗氧化性及機理5、無壓燒結k1互超高溫陶瓷的性能23力學性能材料彈性模量/彎曲強度溫度/T硬度/GPa/GPa5302~28.4HIB1400300170420H1-20%(wosc[140041018080020高硬度一強共價鍵232325,3-28.0硬度值波動:制備工藝不同導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度隨溫度的變化800℃以上彈性模量有較明顯下降彎曲強度開始隨溫度升高而增大,直到800℃以后,強度開始下降。幾種超高溫陶瓷比較而言,ZrB,-SiC復合陶瓷強度在800℃后隨溫度下降比較平緩,表明添加SC對ZB2陶瓷高溫強度是有利的。1225熱學性能熱膨賬系數溫度范圍熱導率/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隨溫度的變化硼化物陶瓷都具有較高的熱導率,明顯比碳化物的熱導率高其熱導率隨溫度的升高有一定的下降,但均遠大于氮化物和碳化物陶瓷(利于減小部件內熱梯度,減小內熱應力)。siC的添加有利于降低HfB2陶瓷高溫階段熱膨脹系數的增大量熱學性能26電學性能材料溫度/℃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: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