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特種耐火材料概述

發(fā)布:2008-9-24 9:17:37  來源: 科技在線 [字體: ]

  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在廣泛的材料領(lǐng)域中出現(xiàn)了許多新材料。特種耐火材料就是在傳統(tǒng)陶瓷和耐火材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一組新型無機(jī)材料,也稱做高溫陶瓷材料。

  傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)工藝是將原料制成細(xì)粉再成型。用陶瓷的方法制造耐火材料也算是特殊工藝方法,應(yīng)該在第五章敘述,但由于特種耐火材料化學(xué)成分的高純度,超級(jí)的耐火性能,各種特殊性能,復(fù)雜的制品形狀,特別的使用條件等,可以成為一個(gè)單獨(dú)體系,作為一章在此作系統(tǒng)敘述。

  特種耐火材料的發(fā)展與高溫技術(shù),特別是現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。近代空間技術(shù),高速飛行器(人造地球衛(wèi)星)的噴射推進(jìn)裝備發(fā)展,尤其噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪旋轉(zhuǎn)葉片、噴嘴、前錐體(雷達(dá)天線罩)、尾錐整流子等受到高溫、高速氣流的直接作用,難熔金屬和耐熱合金在高溫下的斷裂強(qiáng)度、蠕變、抗氧化性等性能達(dá)到了使用極限,必須尋找更好的特種耐火材料。先進(jìn)的冶金技術(shù),需要更耐高溫,抗侵蝕,抗熱震的功能材料。冶煉各種新金屬、特殊合金和半導(dǎo)體材料的純度要求很高,可是在熔化溫度下容易與普通耐火材料起反應(yīng)而使一般耐火材料受侵蝕。金屬質(zhì)的容器更不適合作為這些材料的熔化、蒸餾、澆濤、合金化過程的盛器或單晶生長用盛器,因?yàn)闀?huì)污染冶煉的材料。還有火箭、導(dǎo)彈、電子等現(xiàn)代技術(shù)都要求高性能的耐火材料。這些特種耐火材料與傳統(tǒng)的耐火材料相比具有以下特點(diǎn):

  (1)大多數(shù)特種耐火材料的材質(zhì)已經(jīng)超出了硅酸鹽范圍,而且品位高、純度高,熔點(diǎn)都在2000℃以上(個(gè)別的為1728℃);

  (2)成型工藝不局限半干成型,除了大量應(yīng)用注漿法和可塑法成型外,還采用等靜壓、氣相沉積、熱壓、電熔等,而且大多數(shù)采用微米(μm)級(jí)的細(xì)粉料;

 。3)制品燒成溫度很高(1600~2000℃,甚至更高),并在各種燒成氣氛或真空中燒成;

 。4)它不僅制成磚,棒,罐等厚實(shí)制品,還制成管、板、片、坩堝等薄型制品,中空的球狀制品,高度分散的散狀材料,還可制成透明或半透明制品,柔軟如絲的纖維,各種寶石般的單晶以及硬度僅次于金剛石的超硬材料;

 。5)它除了具有耐火性能外,有的還具有更好的電、熱、機(jī)械、化學(xué)等性能,因此它除了用于高溫工業(yè),還廣泛用于其他部門。幾乎遍布國民經(jīng)濟(jì)各部門;

  一、特種耐火材料分類

  特種耐火材料概括為五方面的內(nèi)容

  (1)高熔點(diǎn)氧化物;

 。2)難熔化合物;

 。3)金屬陶瓷;

  (4)高溫?zé)o機(jī)涂層;

 。5)纖維及其增強(qiáng)材料;

  盡管單一材料具有自己的優(yōu)點(diǎn),可是也有不可克服的缺點(diǎn)和弱點(diǎn)。例如,金屬材料具有良好的延展性、機(jī)械強(qiáng)度和沖擊韌性,但這種材料的強(qiáng)度在高溫時(shí)急劇下降,并極容易氧化;有機(jī)材料的性能千變?nèi)f化,但它易老化,強(qiáng)度低,不耐高溫;無機(jī)非金屬雖然高溫性能好,但致命的弱點(diǎn)是脆性大,經(jīng)不起沖擊。所以就把幾種材料用一定的方式復(fù)合在一起,讓各種材料的性能取長補(bǔ)短,而組成一種具有綜合性能的新材料。特種耐火材料的重點(diǎn)內(nèi)容之一就是高溫復(fù)合材料。它包括金屬陶瓷,高溫?zé)o機(jī)涂層,纖維增強(qiáng)材料等。

  金屬陶瓷既有一定的像金屬一樣的韌性,能經(jīng)受陶瓷所不能經(jīng)受的熱沖擊及機(jī)械沖擊,又有像陶瓷那樣的高溫機(jī)械強(qiáng)度,能承受金屬所不能經(jīng)受的高溫,因此既改善了陶瓷的脆性,又改善了金屬的耐高溫性,具有金屬與陶瓷兩者的綜合性能。

  高溫?zé)o機(jī)涂層是一種加涂在金屬或其他結(jié)構(gòu)底材表面上的無機(jī)保護(hù)層或表面膜的總稱。它起著改變底材外表面的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu),從而賦予新的或改善底材性能的作用。如在金屬材料表面加涂一層耐高溫涂層,對(duì)金屬底材起隔熱作用,使金屬的使用溫度相對(duì)提高;還有地耐熱合金或石墨等材料加涂一層抗氧化,耐化學(xué)腐蝕涂層。近年來,出現(xiàn)了高溫電絕緣、高溫耐磨、耐腐蝕、示溫、溫控、潤滑、防粒子輻射、光譜選擇吸收或發(fā)射、紅外輻射等各種作用的涂層。

  用纖維(晶須)與金屬,塑料或陶瓷復(fù)合,可以制造出耐高溫、高強(qiáng)度、抗疲勞等各式各樣性能優(yōu)良的增強(qiáng)復(fù)合材料。

  二、特種耐火材料的性能

  各種不同的特種耐火材料,雖然化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不同,其性能也存在一定的差異,但從特種耐火材料總體來說比普通耐火材料具有許多優(yōu)良的性能。

 。ㄒ唬釋W(xué)性質(zhì)

 。1)熱膨脹性:熱膨脹性指材料的線度和體積溫度升降發(fā)生可逆性增減的性能。常以線膨脹數(shù)或體積膨脹系數(shù)表示。大多數(shù)特種耐火材料的線膨脹系數(shù)都比較大,僅有熔融石英,氧化硼,氧化硅的線膨脹系數(shù)比較小。

  (二)力學(xué)性質(zhì)

  特種耐火材料的彈性模量都大。大多數(shù)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,但與金屬材料相比,由于脆性,抗沖擊強(qiáng)度甚低。絕大多數(shù)的特種耐火材料具有較高的硬度,因此耐磨,耐氣流或塵粒沖刷性比較好。大多數(shù)特種耐火材料的高溫蠕變都比較小,最大的是二硅化鉬。蠕變值的大小與結(jié)晶尺寸,晶界物質(zhì),氣孔率等有關(guān)系。

  (三)電學(xué)性質(zhì)

  大多數(shù)高熔點(diǎn)氧化物屬絕緣體,其中氧化釷(ThO2)和穩(wěn)定氧化鋯(ZrO2)等在高溫時(shí)具有導(dǎo)電性,見表3;碳化物、硼化物的電阻都很小;有些氮化物是電的良導(dǎo)體,而有些則是典型的絕緣體。例如TiN具有金屬的電導(dǎo)率(ρ為30×10-6Ω•㎝),BN則為絕緣體(ρ為1018Ω•㎝)。所有的硅化物都是電的良導(dǎo)體。

  (四)使用性質(zhì)

 。1)耐火性:特種耐火材料的熔點(diǎn)幾乎都在2000℃以上,最高的碳化鉿(HfC)和碳化鉭(TaC)為3887℃和3877℃。耐火度也很高,在氧化氣氛中,氧化物的使用溫度甚至接近熔點(diǎn)。氮化物,硼化物,碳化物在中性或還原性氣氛中比氧化物有更高的使用溫度,例如TaC在N2氣氛中可使用到3000℃,BN在Ar氣氛中可使用到2800℃。耐高溫性能依次為:碳化物>硼化物>氮化物>氧化物。而它們的高溫抗氧化性為:氧化物>硼化物>氮化物>碳化物。

 。2)抗熱震性:在特種耐火材料中,由于氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率低,大多數(shù)硼化物的熱導(dǎo)率也不高,熔融石英的線膨脹系數(shù)特別小,所以抗熱震性很好。某些纖維制品及纖維增強(qiáng)復(fù)合制品有較高的氣孔率及抗張強(qiáng)度,這些材料的抗熱震性比較好。碳化硅,氮化硅,氮化硼,二硅化鉬等也有較好的抗熱震性。

  三、特種耐火材料的組織結(jié)構(gòu)

  特種耐火材料是一種多晶體材料。絕大多數(shù)特種耐火材料的微觀組織結(jié)構(gòu)為晶相組成,而不含玻璃相,個(gè)別特種耐火混入微量雜質(zhì),在一定溫度下形成共熔液相。晶粒與晶粒相遇的地方就形成晶粒的邊界,簡稱晶界,對(duì)于由小晶粒組成的多晶體來說,晶界的體積幾乎占到一半以上,對(duì)晶體的性質(zhì)有顯著的影響。當(dāng)晶粒細(xì)小時(shí),材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,而粗晶容易造成裂紋和缺陷,使材料的機(jī)械強(qiáng)度下降。特種耐火材料的結(jié)構(gòu),亦含有一定量的氣孔,對(duì)材料性能也有影響。所以一般要求特種耐火材料的組織結(jié)構(gòu)均勻,玻璃相少,晶粒細(xì)小而均勻?yàn)楹谩?/p>

  四、特種耐火材料的用途

  (1)特種耐火材料作為高溫工程的結(jié)構(gòu)材料和功能材料得到廣泛的應(yīng)用。

 。2)在冶金工業(yè)中,廣泛用于耐高溫、抗氧化、還原或化學(xué)腐蝕的部件;熔煉稀有金屬、貴金屬、難熔金屬、超純金屬、特殊合金的坩堝、舟皿等容器;水平連鑄分離環(huán)、熔融金屬的過濾裝置和輸送管道等。

 。3)在航天和飛行技術(shù)中,用于火箭導(dǎo)彈的頭部保護(hù)罩、燃燒室內(nèi)襯、尾噴管襯套、噴氣式飛機(jī)的渦輪葉片、排氣管、機(jī)身、機(jī)翼的結(jié)構(gòu)部件等。

 。4)在電子工業(yè)中,用做熔制高純半導(dǎo)體材料和單晶材料的容器,半導(dǎo)體固體擴(kuò)散源;電子儀器設(shè)備中的各種耐高溫絕緣散熱部件;集成電路的基板,蒸發(fā)涂膜用的導(dǎo)電舟皿等。

  (5)高溫工業(yè)中,用做特種電爐的高溫發(fā)熱元件、爐管、爐膛結(jié)構(gòu)材料和保溫隔熱材料,各種測(cè)溫?zé)犭娕嫉膬?nèi)外保護(hù)套管等。

 。6)在機(jī)械及國防工業(yè)中,用做磨料、磨具、切削刀具;裝甲防護(hù)板等。

  (7)在化工和輕工部門,用做潛水泵和化工泵機(jī)械密封環(huán);玻璃拉絲坩堝,流料槽及玻璃池窯磚等。

 。8)在醫(yī)學(xué)及農(nóng)業(yè)部門,用做人造關(guān)節(jié)、人造牙齒,并利用它的生物相容性等特殊性能。

  五、特種耐火材料展望

  從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看,將利用結(jié)構(gòu)的不均勻性,如微裂紋,微缺陷,晶界和界面性質(zhì),獲得某種特殊性能。透光性陶瓷與今后的光通訊發(fā)展有很大關(guān)系。陶瓷固體電解質(zhì)(βAl2O3、ZrO2等)的利用將進(jìn)一步擴(kuò)大,從能源、環(huán)境、公害方面考慮,將很有前途。超硬材料,如人造金剛石和立方氮化硼將進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段。用特種耐火材料取代金屬,如Si3N4和Al-Si-N-O取代金屬制造軸承和渦輪葉片,會(huì)有很大發(fā)展。高效復(fù)合材料,很有前途,也會(huì)得到很大發(fā)展。

 

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