中國(guó)粉體網(wǎng)訊  眾所周知，先進(jìn)陶瓷憑借其高溫特性被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域。其高溫特性又包括耐高溫與隔熱等特性，這兩者有什么區(qū)別與聯(lián)系呢？

耐高溫陶瓷主要針對(duì)陶瓷的“高熔點(diǎn)”而言，即在高溫下不易被破壞的特性，而隔熱陶瓷主要是針對(duì)某些特殊陶瓷的“低熱導(dǎo)率”而言，即起到熱量的隔絕作用。需要注意的是，我們講到“隔熱材料”時(shí)，一般包括“隔熱”、“隔冷”、“保溫材料”等，而目前對(duì)隔熱陶瓷的研究一般集中于在高溫下的隔熱，故在此應(yīng)用研究范圍內(nèi)，我們可以知道，耐高溫陶瓷不一定隔熱，但在高溫工作環(huán)境中，隔熱陶瓷必須要滿足耐高溫與絕熱特性。

耐高溫陶瓷

一般來(lái)講耐高溫陶瓷是指熔融溫度在氧化硅熔點(diǎn)(1728℃)以上的陶瓷材料的總稱，它是特種陶瓷的重要組成部分，有時(shí)也作為高溫耐火材料的組成部分。

按陶瓷材料主要化學(xué)組成可分為高溫氧化物陶瓷(如Al₂O₃、ZrO₂、MgO、CaO、ThO₂、Cr₂O₃、SiO₂、BeO、3Al₂O₃·2SiO₂等)，碳化物陶瓷，硼化物陶瓷，氮化物陶瓷及硅化物陶瓷等。作為高溫結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于宇航、原子能、電子技術(shù)、機(jī)械、化工、冶金等許多部門，是現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)不可缺少的高溫工程材料。

近年來(lái)，由于冶煉及其他熱工設(shè)備對(duì)耐高溫陶瓷材料制品提出的要求越來(lái)越高，航空航天工業(yè)的飛速發(fā)展也刺激了耐高溫陶瓷的發(fā)展，因此其質(zhì)量不斷提高，品種不斷改善�，F(xiàn)在單一組分的耐高溫陶瓷材料因其成分的單一，在性質(zhì)上存在著明顯的不足，如剛玉材料，燒結(jié)溫度高，燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)大，抗熱震性差，碳化硅陶瓷材料的抗氧化性較差等。而且耐高溫陶瓷材料在使用中，加工困難，抗熱震性差，不易進(jìn)行粘結(jié)等缺點(diǎn)，也促使了耐高溫陶瓷材料復(fù)合化的發(fā)展，如Sialon材料、Sialon復(fù)合相材料、耐高溫陶瓷涂層材料、碳化物復(fù)合陶瓷耐高溫材料等。

超高溫陶瓷材料

超高溫陶瓷(UHTC)是指熔點(diǎn)超過(guò)3000℃的陶瓷化合物，如ZrC、HfC、TaC、HfB₂、ZrB₂、HfN等，具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能，包括高彈性模量、高硬度、低飽和蒸汽壓、高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率、適中的熱膨脹率和良好的抗熱震性能等，并能在高溫下保持很高的強(qiáng)度，通常包括過(guò)渡金屬硼化物、碳化物、氮化物及其復(fù)合材料。

1、超高溫硼化物陶瓷‍

超高溫硼化物陶瓷主要有HfB₂、ZrB₂、TaB₂、TiB₂和YB₄陶瓷。這些陶瓷材料由于含有較強(qiáng)共價(jià)鍵，因而具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、低蒸發(fā)率、高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等特點(diǎn)。硼化物陶瓷中ZrB₂和HfB₂是目前研究最為廣泛的UHTCs，但其較差的抗氧化性限制了其廣泛應(yīng)用。

2、超高溫碳化物陶瓷‍

碳化物陶瓷中，能在超高溫下環(huán)境下應(yīng)用的有ZrC、HfC、TaC和TiC等。這類陶瓷有著非常高的熔點(diǎn)，在升溫或降溫過(guò)程中不發(fā)生固態(tài)相變，還有著較好的抗熱震性和較高的高溫強(qiáng)度，但碳化物UHTCs的斷裂韌性較低，抗氧化性能差。

3、超高溫氮化物陶瓷‍

超高溫氮化物陶瓷如ZrN、HfN和TaN也有良好的性能。過(guò)渡金屬氮化物都有著較高熔點(diǎn)。然而，此類難熔氮化物的熔點(diǎn)還與環(huán)境氣壓有關(guān)，并不是所有難熔氮化物都適合在高溫高壓的氧化環(huán)境下工作。過(guò)渡金屬氮化物在切削工具表面硬化層上有著重要的應(yīng)用。

隔熱陶瓷

目前對(duì)隔熱陶瓷的研究多集中在熱障涂層陶瓷材料方面，熱障涂層主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)，具有良好的隔熱效果與高溫抗氧化性能，是目前最為先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層之一。

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

熱障涂層具有隔熱、抗高溫氧化和耐腐蝕等作用，其典型結(jié)構(gòu)為雙層系統(tǒng)，由表層的陶瓷熱障層和中間的金屬粘結(jié)層構(gòu)成。在熱障涂層中實(shí)際起隔熱作用的是陶瓷熱障層，它能有效減少向金屬基體的熱傳導(dǎo)，保護(hù)關(guān)鍵零部件。合適的熱障涂層陶瓷材料應(yīng)滿足高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)與金屬基體較匹配、良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、與金屬層結(jié)合力高、在室溫與工作溫度之間無(wú)相變等要求。

1、氧化物穩(wěn)定的ZrO_2‍

氧化物穩(wěn)定的ZrO₂具有較低的熱導(dǎo)率、較高的熱膨脹系數(shù)和良好的高溫性能，很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)充當(dāng)著主要的熱障涂層陶瓷材料。用于穩(wěn)定ZrO₂的氧化物種類繁多，二價(jià)穩(wěn)定劑有CaO和MgO等，三價(jià)穩(wěn)定劑有Y₂O₃，Sm₂O₃，Nd₂O₃，Er₂O₃等，四價(jià)穩(wěn)定劑有CeO₂，HfO₂等。

2、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的ABO₃陶瓷

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的ABO₃陶瓷中，早期有SrZrO₃，BaZrO₃，MgZrO₃等應(yīng)用于熱障涂層。盡管SrZrO₃的熔點(diǎn)高達(dá)2690℃，但其在高溫下相穩(wěn)定性較差，不適宜單獨(dú)用作高溫下的熱障涂層材料。BaZrO₃的熔點(diǎn)為2000℃，其膨脹系數(shù)相比YSZ低得多，因而其抗熱沖擊性能欠佳。

3、A₂B₂O₇陶瓷材料‍

A₂B₂O₇(A為稀土元素，B為Zr，Hf，Ce等元素)陶瓷材料具有比ZrO₂材料更低的熱導(dǎo)率，相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)及良好的高溫相穩(wěn)定性能，被認(rèn)為是最有希望替代ZrO₂的材料體系。

4、磁鐵鉛礦結(jié)構(gòu)MMeAl₁₁O₁₉陶瓷‍

磁鐵鉛礦結(jié)構(gòu)的六鋁酸鹽MMeAl₁₁O₁₉(M為L(zhǎng)a，Nd，Sr等元素，Me為堿土金屬元素等)陶瓷顯微結(jié)構(gòu)由隨機(jī)排列的片層組成，是較晚開(kāi)發(fā)的用于高溫下能保持長(zhǎng)期良好的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性的熱障涂層，具有遠(yuǎn)低于ZrO₂基熱障涂層材料的燒結(jié)速率，存在較多的微孔，有良好的熱絕緣效果。

5、其它陶瓷材料‍

除上述已成體系的熱障涂層陶瓷材料外，還開(kāi)發(fā)了其他具有熱障涂層應(yīng)用前景的陶瓷材料。釔鋁石榴石(Y₃Al₅O₁₂，簡(jiǎn)稱YAG)也是一種良好的熱障涂層材料，屬石榴石結(jié)構(gòu)，其從室溫至熔點(diǎn)(1970℃)均能保持良好的熱穩(wěn)定性，而且熱導(dǎo)率低，氧在YAG內(nèi)部的擴(kuò)散率比在ZrO₂中小10個(gè)數(shù)量級(jí)，因而YAG能很好地保護(hù)基體和金屬粘結(jié)層。

參考來(lái)源：

[1]李志明等.熱障涂層陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與展望

[2]嚴(yán)春雷.超高溫陶瓷材料研究進(jìn)展

[3]袁源.耐高溫陶瓷材料的研究現(xiàn)狀

[4]周宏明.熱障涂層陶瓷材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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