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高性能碳化硅陶瓷的工程应用(连载二)

http://www.momo35.com    来源:西安交通大学西安天健工程陶瓷有限公司    日期:2019-07-22

 
高性能碳化硅陶瓷的工程应用(连载二)
 
文/高积强、乔冠军、金志浩(西安交通大学西安天健工程陶瓷有限公司)
 
 
多孔陶瓷过滤器(图2)在性能方面,必须能承受各种烟道气体化学性质的不同,各种微细颗粒性质与数量的变化,烟道气体温度与压力的波动,同时保持高的颗粒过滤能力、气体通过能力,以及相对低的压降流动特性;在操作过程,陶瓷过滤器必须具有一定的机械强度,并能够承受机械振动与热冲击。所有性能方面最重要的是长期工作可靠性,并满足性能、寿命与价格的要求。
 
氧化物结合的碳化硅是目前高温气体过滤器的主要材料:正在研究使用烧结碳化硅制造过滤器。美国、德国和英国已进行了大量的样机试验工作,其中包括在高温、高压沸腾燃烧装置中的试验,已积累了上千小时的实脸数据。西安交通学“九五”期间,在国家自然科学基金的支持下、对多孔碳化硅陶瓷过滤器的制造,以及其过滤特性开展了研究。
 
大型废弃物焚烧炉在工业发达国家已成为废弃物处理的重要手段,将各种可燃废弃物燃烧加热锅炉;用于采暖或发电。废弃物燃烧时除了产生强腐蚀性产物外,同时各种粉尘对锅炉壁的磨损也十分严重。因此,锅炉炉衬材料必须满足:扃硬度并可在低温烧结获得高的磨损抗力;易操作,保证锅炉小管道炉衬的无孔洞;炉衬料与锅炉管道热面之间的高强度以保护管道免遭鹰蚀低气孔率与气体透人性以保证锅炉管道螺栓不被腐蚀气体破坏;良好的抗渣能力;高的热震抗力。焚烧炉的炉衬材料经常采用碳化硅图3)吗,既保证了炉衬的耐磨性,并能有效地保护锅炉管道与螺桂的连接。经常采用不同含量(70%-90%)的碳化硅,加上适当的粘土、硫酸铝、a-AIZ0,(或莫来石)、磷酸盐作为结合剂,加入翻酸、膨润土、碱性聚磷酸盐或Vz0s等促使其早期烧结。采用手工或喷射的方法进行施工,得到满足要求的碳化硅炉衬。

3.3工业窑护
轻工、建材、电子等行业大量使用各种工业窑炉,采用不同材质碳化硅窑具的组合,可以大幅度减少窑具重量及其所占据的空间,提高能量利用率,减轻工人劳动强度。同时由于碳化硅部件优异的抗热冲击性能,烧成升温速度可以加快。
 
美国诺顿公司推出CRYSTAR重结晶化硅与CRYSTON氮化物结合碳化硅组合的窑具系统(图4),在烧成卫生洁具吋:减轻窑具重量70%,缩短烧成时间60小时,降低耗热量50%,节约燃料50%。其中CRYSFAR重结晶碳化硅的主要性能指标如表1所示。
 
德国Annawerk公司使用重结晶碳化硅材料作为窑具实现了日用陶瓷的高温快烧。取得了可观的经济效益和社会效益(表2),此外,在提高产品质量,减少密具储存等方面也给厂家带来巨大的效益
 
34各种加热装置
在材料烧结、熔化、热处理,以及玻璃行业,燃气间接加热是一种重要方式。燃气间接加热与直接燃烧加热相比,可大大提高热效率,降低NOx等有害气体的排出,同时提高了温度的稳定性,保证对炉内气氛的控制;同时在许多工业加热过程中,要求工件与燃烧环境隔离。这都需采用间接辐射加热的方式。
 
传统的间接加热主要用金属或其合金作为加热系统的辐射加热管,但迄今为止各种金属辐射管的最高使用温度的上限只有10℃无法满足许多工艺要求的更高加热温度,碳化硅作为高温辐射管材料引起了人们极大的兴趣(图5)。研究表明,反应结合SiC辐射管可在1300℃的N2-H2-CO环境气氛中长期使用。目前存在的主要问题是在更高温度、更复杂介质中长期使用的可靠性问题。
 
二难化镅发热元件可以用于1700℃加熱,但二硅化钼元件的高温软化使得其不能水平放置,用碳化硅辐射管将其固定,可以使发热元件水平放置并在高温使用。使用气孔率为零的残化硅射加热管可以实现对熔化铝液内的电加热,并具有很长的使用寿命。由于碳化硅材料优异的热性能,在大型窑炉中可用于燃气加热或空气的降温冷却,保证炉内温度的均匀性,碳化硅的高温酎磨性能还可用于覦备种固体与液体燃料的燃烧器喷嘴(图6)
 
35发热元件
 
碳化硅重要的导电特性使得其是制造1000℃以上加热炉发热元件的最主要材料,碳化硅发热元件是碳化硅材料的最圭要产品,具有极大的市场,我国有关产品的使用温度长期停留在1400℃以下,而发达因家进入九十年代以来,其碳化硅发热元件的使用温度已耆追提高到1600℃,例如德国的Cesiwid公司,日本的东海高热株式会社,同时与国外产品相比,我国产品冷端/热区电阻比一般仅为1:10,低于国外水平(1:15),造成电力资源的浪费。但迄今为止,国外有关技术仍然属于专利或保密的技术窍,表3为德国Cesiwid公司碳化准发热元件的主要物理性能。
 
1 CRYSTAR重结品碳化的主要性能指标

最高使用温度/ ℃1600 弯曲强度/MPa 体积密度/g. cm³ 热导率
/W(m·k)-1
膨胀系数(300-150℃)/k-1
4.8x10-6
室温
100-120
1250℃
120-150
           
 
 







2碳化硅材料的使用取得的效益
 
  劳动力 能源/kcal·kg-1 费用/芬尼·件-1 窑具/产品重量比
传统工艺
新工艺
节约/%
1.5-2
1
40
5500-7500
2000-4000
40-60
24
7
60-75
(6-4):1
(1-1.5):1
 








4 CRYSTAR重结晶与CRYSTON化物结合碳化硅组合審具系统
 
“九五”期间,西安交通大学在国家自然科学基金的支持下对碳化硅高温发热元件开展了系统研究,具备了开发高性能碳化硅发热元件的技术,目前正在西安天健工程陶瓷有限公司进行产业化中试工作。
 
36机被密封
 
为了改进性能,节约燃料,汽车工业对冷却系统提出了更高的要求。由于汽车冷却系统温度和压力的提高,要求水泵具有更高的速度,承相更高的负載。提高水泵使用寿命的重要因素之一是机械密封问题。由于更多质零部件的使用,要使用含高浓度硅酸和硝酸配方的减剂,使用过程中所形成硅醋酸凝胶作为晶体沉积在密封面,导致泄露,密封失效。
 
3 Cesiwild公司碳化硅发热原件的主要物理性能

体积密度g·cm3 热区
冷墙
2.55
2.80
弯曲强度/MPa 20℃
1200℃
85
100
膨胀系数/K-1 20-1000℃ 4.5x10-6
热导率/W(m·L)-1 20℃
1200℃
100
25
电阻/Ω 1071℃ 0.9±10%
原件允许最大负荷 W
V
A
3750
58
37.3±10%
冷端/热端电阻比   1:15
最高使用温度/℃   1600
 
 






















虽燃可以采用AL2O3、硅化石墨等作为密时材料,但目前欧和北美的汽车工业已广泛使用碳化硅代替其它材料作为汽车水泵密封材料,甚至有的汽车厂商已100%采用烧结碳化作为密封件,目前碳化硅水菜密封件的年产量己超过几百万件,与AL2O3、硅化石墨等相比,碳化硅具有更离的硬度与磨损抗力,高热传导率和高的热抗力,这些性质在摩擦副之间干滑动时具有特别重要的性质。
 
4为各种水密封材料性能对比

  Hexoloy
SA·SiC
硅化石墨 AL2O3
密度g·cm3 3.10 1.95 3.72
强性横量/CPa 410 16 300
室温弯曲强度/MPa 460 35 360
Knoop硬度/kg·mm2 2800 <1000 1100
膨胀系数/x10-6·C-1 4.0 4.5 8.2
热导率/W(m·L)-1 125 50 24
 
 










化学工业目也开始大量使用碳化密封环,我国国内市场正在逐步形成。

有报告表明,内燃机中使用烧结碳化硅作为摩振副也是十分成功的,这种摩擦副的组合可以缘合高热传导与低没润能的最大优势。
 
37 原子能工业用碳化硅复合村料

碳化硅材料具有低的中子激活行为(中子作用下的放射性),低的停堆余持,低的气体(特别对氢气)渗透率,加之优异的高器机械性能,使得其可用于核电站用结构材料。例如美国ARTS核电站选择SiC纤维增强的SiC作为嵌套包壳材料,随着核电車业的发展,对高性能碳化硅村料的需求必将大大增加。
 
4 结语

通过以上对碳化硅村料制备及其工程应用进行的总结,可以看出碳化硅村料是目前最具有产业化前景的先进工程瓷,它不仅包括高性能精细瓷,面且更覆盖了从低到高各种不同性能档次的碳化硅制品。它不仅在诸如陶瓷发动机等未来的高技术领域具有重要的作用,而且在能源、治金、机械、建材、化工等題坡都具有广的市场及等特开发的潜在市场。目前,碳化硅结构陶瓷产品的定位应着眼于发展市场需求极大的各种,而各种高性能精细陶瓷。

或复合材料则作为其研究与开发的对象,我国高性能碳化硅結构陶瓷的产业化除了发展高性能材料外,各种高温构件与承载件应成为目前发展的主要产品。
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