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鄭州晶品超硬工具有限公司
工廠：鄭州市中原西路竹川工業(yè)區(qū)
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聯(lián)系人：鄭先生 朱女士
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| 鄭州晶品轉(zhuǎn)載：高性能碳化硅陶瓷的工程應(yīng)用（連載二） |
高性能碳化硅陶瓷的工程應(yīng)用（連載二）
文/高積強(qiáng)、喬冠軍、金志浩（西安交通大學(xué)西安天健工程陶瓷有限公司）
多孔陶瓷過濾器(圖2)在性能方面,必須能承受各種煙道氣體化學(xué)性質(zhì)的不同,各種微細(xì)顆粒性質(zhì)與數(shù)量的變化,煙道氣體溫度與壓力的波動,同時保持高的顆粒過濾能力、氣體通過能力,以及相對低的壓降流動特性;在操作過程,陶瓷過濾器必須具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,并能夠承受機(jī)械振動與熱沖擊。所有性能方面最重要的是長期工作可靠性,并滿足性能、壽命與價格的要求。
氧化物結(jié)合的碳化硅是目前高溫氣體過濾器的主要材料:正在研究使用燒結(jié)碳化硅制造過濾器。美國、德國和英國已進(jìn)行了大量的樣機(jī)試驗工作,其中包括在高溫、高壓沸騰燃燒裝置中的試驗,已積累了上千小時的實臉數(shù)據(jù)。西安交通學(xué)“九五”期間,在國家自然科學(xué)基金的支持下、對多孔碳化硅陶瓷過濾器的制造,以及其過濾特性開展了研究。
大型廢棄物焚燒爐在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為廢棄物處理的重要手段,將各種可燃廢棄物燃燒加熱鍋爐;用于采暖或發(fā)電。廢棄物燃燒時除了產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性產(chǎn)物外,同時各種粉塵對鍋爐壁的磨損也十分嚴(yán)重。因此,鍋爐爐襯材料必須滿足:扃硬度并可在低溫?zé)Y(jié)獲得高的磨損抗力;易操作,保證鍋爐小管道爐襯的無孔洞;爐襯料與鍋爐管道熱面之間的高強(qiáng)度以保護(hù)管道免遭鷹蝕低氣孔率與氣體透人性以保證鍋爐管道螺栓不被腐蝕氣體破壞;良好的抗渣能力;高的熱震抗力。焚燒爐的爐襯材料經(jīng)常采用碳化硅圖3)嗎,既保證了爐襯的耐磨性,并能有效地保護(hù)鍋爐管道與螺桂的連接。經(jīng)常采用不同含量(70%-90%)的碳化硅,加上適當(dāng)?shù)恼惩痢⒘蛩徜X、a-AIZ0,(或莫來石)、磷酸鹽作為結(jié)合劑,加入翻酸、膨潤土、堿性聚磷酸鹽或Vz0s等促使其早期燒結(jié)。采用手工或噴射的方法進(jìn)行施工,得到滿足要求的碳化硅爐襯。
3.3工業(yè)窯護(hù)
輕工、建材、電子等行業(yè)大量使用各種工業(yè)窯爐,采用不同材質(zhì)碳化硅窯具的組合,可以大幅度減少窯具重量及其所占據(jù)的空間,提高能量利用率,減輕工人勞動強(qiáng)度。同時由于碳化硅部件優(yōu)異的抗熱沖擊性能，燒成升溫速度可以加快。
美國諾頓公司推出CRYSTAR重結(jié)晶化硅與CRYSTON氮化物結(jié)合碳化硅組合的窯具系統(tǒng)（圖4），在燒成衛(wèi)生潔具吋：減輕窯具重量70％，縮短燒成時間60小時，降低耗熱量50％，節(jié)約燃料50％。其中CRYSFAR重結(jié)晶碳化硅的主要性能指標(biāo)如表1所示。
德國Annawerk公司使用重結(jié)晶碳化硅材料作為窯具實現(xiàn)了日用陶瓷的高溫快燒。取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益（表2），此外，在提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少密具儲存等方面也給廠家?guī)砭薮蟮男б?/SPAN>
3．4各種加熱裝置
在材料燒結(jié)、熔化、熱處理，以及玻璃行業(yè)，燃?xì)忾g接加熱是一種重要方式。燃?xì)忾g接加熱與直接燃燒加熱相比，可大大提高熱效率，降低NOx等有害氣體的排出，同時提高了溫度的穩(wěn)定性，保證對爐內(nèi)氣氛的控制；同時在許多工業(yè)加熱過程中，要求工件與燃燒環(huán)境隔離。這都需采用間接輻射加熱的方式。
傳統(tǒng)的間接加熱主要用金屬或其合金作為加熱系統(tǒng)的輻射加熱管，但迄今為止各種金屬輻射管的最高使用溫度的上限只有10℃無法滿足許多工藝要求的更高加熱溫度，碳化硅作為高溫輻射管材料引起了人們極大的興趣（圖5）。研究表明，反應(yīng)結(jié)合SiC輻射管可在1300℃的N2-H2-CO環(huán)境氣氛中長期使用。目前存在的主要問題是在更高溫度、更復(fù)雜介質(zhì)中長期使用的可靠性問題。
二難化镅發(fā)熱元件可以用于1700℃加熱，但二硅化鉬元件的高溫軟化使得其不能水平放置，用碳化硅輻射管將其固定，可以使發(fā)熱元件水平放置并在高溫使用。使用氣孔率為零的殘化硅射加熱管可以實現(xiàn)對熔化鋁液內(nèi)的電加熱，并具有很長的使用壽命。由于碳化硅材料優(yōu)異的熱性能，在大型窯爐中可用于燃?xì)饧訜峄蚩諝獾慕禍乩鋮s，保證爐內(nèi)溫度的均勻性，碳化硅的高溫酎磨性能還可用于覦備種固體與液體燃料的燃燒器噴嘴（圖6）
3．5發(fā)熱元件
碳化硅重要的導(dǎo)電特性使得其是制造1000℃以上加熱爐發(fā)熱元件的最主要材料，碳化硅發(fā)熱元件是碳化硅材料的最圭要產(chǎn)品，具有極大的市場，我國有關(guān)產(chǎn)品的使用溫度長期停留在1400℃以下，而發(fā)達(dá)因家進(jìn)入九十年代以來，其碳化硅發(fā)熱元件的使用溫度已耆追提高到1600℃，例如德國的Cesiwid公司，日本的東海高熱株式會社，同時與國外產(chǎn)品相比，我國產(chǎn)品冷端／熱區(qū)電阻比一般僅為1：10，低于國外水平（1：15），造成電力資源的浪費。但迄今為止，國外有關(guān)技術(shù)仍然屬于專利或保密的技術(shù)竅，表3為德國Cesiwid公司碳化準(zhǔn)發(fā)熱元件的主要物理性能。
表1 CRYSTAR重結(jié)品碳化的主要性能指標(biāo)
| 最高使用溫度/ ℃1600 |
彎曲強(qiáng)度/MPa |
體積密度/g. cm³ |
熱導(dǎo)率
/W(m·k)-1 |
膨脹系數(shù)（300-150℃）/k-1
4.8x10-6 |
室溫
100-120 |
1250℃
120-150 |
| |
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|
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表2碳化硅材料的使用取得的效益
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勞動力 |
能源/kcal·kg-1 |
費用/芬尼·件-1 |
窯具/產(chǎn)品重量比 |
傳統(tǒng)工藝
新工藝
節(jié)約/% |
1.5-2
1
40 |
5500-7500
2000-4000
40-60 |
24
7
60-75 |
（6-4）:1
（1-1.5）:1 |
圖4 CRYSTAR重結(jié)晶與CRYSTON化物結(jié)合碳化硅組合審具系統(tǒng)
“九五”期間，西安交通大學(xué)在國家自然科學(xué)基金的支持下對碳化硅高溫發(fā)熱元件開展了系統(tǒng)研究，具備了開發(fā)高性能碳化硅發(fā)熱元件的技術(shù)，目前正在西安天健工程陶瓷有限公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化中試工作。
3．6機(jī)被密封
為了改進(jìn)性能，節(jié)約燃料，汽車工業(yè)對冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。由于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)溫度和壓力的提高，要求水泵具有更高的速度，承相更高的負(fù)載。提高水泵使用壽命的重要因素之一是機(jī)械密封問題。由于更多質(zhì)零部件的使用，要使用含高濃度硅酸和硝酸配方的減劑，使用過程中所形成硅醋酸凝膠作為晶體沉積在密封面，導(dǎo)致泄露，密封失效。
表3 Cesiwild公司碳化硅發(fā)熱原件的主要物理性能
| 體積密度g·cm3 |
熱區(qū)
冷墻 |
2.55
2.80 |
| 彎曲強(qiáng)度/MPa |
20℃
1200℃ |
85
100 |
| 膨脹系數(shù)/K-1 |
20-1000℃ |
4.5x10-6 |
| 熱導(dǎo)率/W(m·L)-1 |
20℃
1200℃ |
100
25 |
| 電阻/Ω |
1071℃ |
0.9±10% |
| 原件允許最大負(fù)荷 |
W
V
A |
3750
58
37.3±10% |
| 冷端/熱端電阻比 |
|
1:15 |
| 最高使用溫度/℃ |
|
1600 |
雖燃可以采用AL2O3、硅化石墨等作為密時材料，但目前歐和北美的汽車工業(yè)已廣泛使用碳化硅代替其它材料作為汽車水泵密封材料，甚至有的汽車廠商已100%采用燒結(jié)碳化作為密封件，目前碳化硅水菜密封件的年產(chǎn)量己超過幾百萬件，與AL2O3、硅化石墨等相比，碳化硅具有更離的硬度與磨損抗力，高熱傳導(dǎo)率和高的熱抗力，這些性質(zhì)在摩擦副之間干滑動時具有特別重要的性質(zhì)。
表4為各種水密封材料性能對比
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Hexoloy
SA·SiC |
硅化石墨 |
AL2O3 |
| 密度g·cm3 |
3.10 |
1.95 |
3.72 |
| 強(qiáng)性橫量/CPa |
410 |
16 |
300 |
| 室溫彎曲強(qiáng)度/MPa |
460 |
35 |
360 |
| Knoop硬度/kg·mm2 |
2800 |
<1000 |
1100 |
| 膨脹系數(shù)/x10-6·C-1 |
4.0 |
4.5 |
8.2 |
| 熱導(dǎo)率/W(m·L)-1 |
125 |
50 |
24 |
化學(xué)工業(yè)目也開始大量使用碳化密封環(huán)，我國國內(nèi)市場正在逐步形成。
有報告表明，內(nèi)燃機(jī)中使用燒結(jié)碳化硅作為摩振副也是十分成功的，這種摩擦副的組合可以緣合高熱傳導(dǎo)與低沒潤能的最大優(yōu)勢。
3．7 原子能工業(yè)用碳化硅復(fù)合村料
碳化硅材料具有低的中子激活行為（中子作用下的放射性），低的停堆余持，低的氣體（特別對氫氣）滲透率，加之優(yōu)異的高器機(jī)械性能，使得其可用于核電站用結(jié)構(gòu)材料。例如美國ARTS核電站選擇SiC纖維增強(qiáng)的SiC作為嵌套包殼材料，隨著核電車業(yè)的發(fā)展，對高性能碳化硅村料的需求必將大大增加。
4 結(jié)語
通過以上對碳化硅村料制備及其工程應(yīng)用進(jìn)行的總結(jié)，可以看出碳化硅村料是目前最具有產(chǎn)業(yè)化前景的先進(jìn)工程瓷，它不僅包括高性能精細(xì)瓷，面且更覆蓋了從低到高各種不同性能檔次的碳化硅制品。它不僅在諸如陶瓷發(fā)動機(jī)等未來的高技術(shù)領(lǐng)域具有重要的作用，而且在能源、治金、機(jī)械、建材、化工等題坡都具有廣的市場及等特開發(fā)的潛在市場。目前，碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品的定位應(yīng)著眼于發(fā)展市場需求極大的各種，而各種高性能精細(xì)陶瓷。
或復(fù)合材料則作為其研究與開發(fā)的對象，我國高性能碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷的產(chǎn)業(yè)化除了發(fā)展高性能材料外，各種高溫構(gòu)件與承載件應(yīng)成為目前發(fā)展的主要產(chǎn)品。 |
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