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特种耐火材料种类、物理性能及用途介绍

2020-09-29 11:36:08 点击:
氧化锆制品

特种耐火材料的特点及分类
特种耐火材料是一组熔点在1800℃以上的高纯氧化物、非氧化物和炭素等单一材料或各种复合材料为原料的,其采用传统生产工艺或特殊生产工艺生产的、制品具有特殊性能和特种用途的新型耐火材料,又称为特种耐火材料。
 
特种耐火材料的概念是在传统陶瓷、精密陶瓷和普通耐火材料以及功能性耐火材料的基础上发展起来的。特种耐火材料包括的内容非常广泛,主要有高熔点氧化物、高熔点非氧化物及由此衍生的复合化合物、金属陶瓷、高温涂层、高温纤维及其增强材料。其中高熔点非氧化物通常称难熔化合物,它又包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物及硫化物等。
 
在使用条件要求愈来愈苛刻和特殊的宇航、核能、冶金、电子、化工、建材、交通等行业,普通耐火材料已满足不了新的要求,只有具有耐高温、抗腐蚀、高温化学和热稳定性好的特种耐火材料才能承担这样的重任和满足使用条件的要求。
 
特种耐火材料成本较高,但具有很多优异性能,是很多工业部门不可缺少、不能替代的产品。特别是在很多新技术、新领域中,在很多关键的部位替代其他产品,可以大幅度地提高使用寿命,明显地增加了经济效益。
 
特种耐火材料的分类方法很多,有的以生产工艺分类,有的以产品应用分类,但比较主要的分类方法还是以原料和制品性状不同来分类,大致可以分成五方面:
(1)高熔点氧化物材料及其复合材料;
(2)难熔化合物材料(碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等)及其复合材料;
(3)高熔点氧化物与难熔金属的复合材料(金属陶瓷)
(4)高温不定形材料及无机物涂层;
(5)高温纤维及其增强材料。
 
特种耐火材料的物理性能、
各种氧化物和非氧化物材料的熔点。
在元素中,以碳元素的熔点高,约为3650℃,依次为钨(W)3415℃,铼(Re)3180℃,钽(Ta)2980℃,锇(Os)
2727℃,钼(Mo)2620℃,铪(Hf)2207℃,铌(Nh)2468℃,钍
(Th)1845℃,钛(Ti)1672℃,锆(Zr)1855℃,其他大多数元素的熔点都在1800℃以下。这些金属元素都无法在氧化气氛下使用。
在化合物中,熔点高的是碳化物,
依次是氮化物和氧化物。在氧化物中,熔点低的是酸性氧化物,如二氧化硅(Si02:),二氧化钛(TiO2)。其次是中性氧化物,如三氧化二铝
(Al2O3),三氧化二锫(Cr2O3),熔点高的是碱性氧化物,如氧化铍(BeO)、氣化镁(MgO)、
氧化钙(CaO),氧化锶(SiO)。在元素周期表中第5、6、7周期某些元素的氣化物、碳化物、氮化物和硼化物,如氧化物:二氧化锆(ZK):)
7000X,二氧化钍(ThO2)3050t,二氧化铪(HfO1)2812℃,氧化镁(MgO)2800℃;碳化物:碳化铪(HfC)
4160℃,碳化锆(ZrC)3500℃,碳化钒(VC)2810℃.碳化钨(W2C)2857℃,碳化钦(TiC)3150℃;氮化物:氮化铪(Hm)
3310℃,氮化锆(ZrN)3000℃,二氮化二钛(TiM)2930℃;硼化物:二硼化铪(HfB2)3250℃,二硼化锆(ZrB2)
3190℃,六硼化钨(WB6)2920℃,这些化合物也都是高熔点化合物。
很多元素及化合物,虽然熔点很高,但要作为特种耐火材料的原料使用,还受到一定的限制,如有的原料在加热时产生分解,有的原料有很大的危害性或放射性,有的原枓的价格十分昂贵,所以在应用时应给予充分考虑。
 
金属氮化物的合成方法有:
(1)用氮气或氨直接与金属或金属氧化物作用,反应温度在I200℃左右,如果用氧化物代替金属,反应温度就需要高于2000℃。其反应式为:
Me+N2→MeN
(2)用氮气或氨与加有碳的金属氧化物反应。在氮气中形成氮。
 
特种耐火材料的组织结构和用途
1、特种耐火材料的组织结构  
特种耐火材料是一种多晶体材料。绝大多数特种耐火材料的微观组织结构为晶相组成,而不含玻璃相,个别特种耐火混入微量杂质,在一定温度下形成共熔液相。晶粒与晶粒相遇的地方就形成晶粒的边界,简称晶界,对于由小晶粒组成的多晶体来说,晶界的体积几乎占到一半以上,对晶体的性质有显著的影响。当晶粒细小时,材料具有较高的机械强度,而粗晶容易造成裂纹和缺陷,使材料的机械强度下降。特种耐火材料的结构,亦含有一定量的气孔,对材料性能也有影响。所以一般要求特种耐火材料的组织结构均匀,玻璃相少,晶粒细小而均匀为好。 
2、特种耐火材料的用途  (1)特种耐火材料作为高温工程的结构材料和功能材料得到广泛的应用。  (2)在冶金工业中,广泛用于耐高温、抗氧化、还原或化学腐蚀的部件;熔炼稀有金属、贵金属、难熔金属、超纯金属、特殊合金的坩埚、舟皿等容器;水平连铸分离环、熔融金属的过滤装置和输送管道等。  (3)在航天和飞行技术中,用于火箭导弹的头部保护罩、燃烧室内衬、尾喷管衬套、喷气式飞机的涡轮叶片、排气管、机身、机翼的结构部件等。  (4)在电子工业中,用做熔制高纯半导体材料和单晶材料的容器,半导体固体扩散源;电子仪器设备中的各种耐高温绝缘散热部件;集成电路的基板,蒸发涂膜用的导电舟皿等。  (5)高温工业中,用做特种电炉的高温发热元件、炉管、炉膛结构材料和保温隔热材料,各种测温热电偶的内外保护套管等。  (6)在机械及国防工业中,用做磨料、磨具、切削刀具;装甲防护板等。  (7)在化工和轻工部门,用做潜水泵和化工泵机械密封环;玻璃拉丝坩埚,流料槽及玻璃池窑砖等。  (8)在医学及农业部门,用做人造关节、人造牙齿,并利用它的生物相容性等特殊性能。
3、特种耐火材料展望 
从材料的微观结构来看,将利用结构的不均匀性,如微裂纹,微缺陷,晶界和界面性质,获得某种特殊性能。透光性陶瓷与今后的光通讯发展有很大关系。陶瓷固体电解质(βAl2O3、ZrO2等)的利用将进一步扩大,从能源、环境、公害方面考虑,将很有前途。超硬材料,如人造金刚石和立方氮化硼将进入工业生产阶段。用特种耐火材料取代金属,如Si3N4和Al-Si-N-O取代金属制造轴承和涡轮叶片,会有很大发展。高效复合材料,很有前途,也会得到很大发展。
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