低膨胀陶瓷
陶瓷具有耐高温、高强度、抗腐蚀等一系列优良性能。热膨胀是陶瓷材料的主要性能之一。材料的抗热震性,复合材料及其力学性能,镀膜和涂层,封接和梯度功能,精密测量等都与热膨胀有关。
低膨胀陶瓷,特别是零膨胀陶瓷或负膨胀陶瓷,可作为发动机主件,航空材料叶片,炉具垫片,电路基片,天文镜坯及天线罩,高温观察窗,精密计量等器件,载体及过滤器,核废料固定化,封接材料等高技术材料。
一般认为热膨胀系数的绝对值小于2×10-6℃-1的材料为低膨胀材料,膨胀系数接近零的材料为超低膨胀材料。目前已发现和使用的具有低膨胀性的陶瓷和氧化物见表1.
表1低膨胀陶瓷的热膨胀系数(×10-6℃-1)
1堇青石陶瓷
堇青石(Cordierite)(2MgO2·Al2O3·SiO2)是年发现的,作为天然矿物只少量的存在自然界。堇青石的热膨胀系数为2.9×10-6℃-1。熔点约为℃,具有良好的热稳定性能。堇青石具有两种同质多相变体,即低温堇青石和高温堇青石,高温堇青石又名印度石(Indialite),属于六方晶系;低温堇青石就是人们通常认知上的堇青石,属于斜方晶系。堇青石在具有低膨胀的同时,还具有低介电常数(5.3MHz)。
1.1堇青石陶瓷的性能
堇青石陶瓷具有低膨胀特性和低介电性能,表2列出了堇青石陶瓷与其他氧化物陶瓷的性能。
表2.堇青石陶瓷与氧化物陶瓷材料的性能
1.2堇青石陶瓷的用途
可用于汽车排气净化系统的催化剂载体:一般是将堇青石陶瓷加工成具有蜂窝状结构,有利于将直径几毫米的粒状催化剂填充在蜂窝状载体中。
图1.堇青石蜂窝陶瓷催化剂载体除此之外,还可用于一般产业的除臭和排烟脱氧装置。此外,还可作为红外线放射体,在堇青石中添加30%的焙烧物(由MnO%、Fe2O%、CuO10%组成),所得到的的陶瓷是高效率的红外放射体。
该种陶瓷的劣势在于耐酸性很差,不能用于酸蚀的场所。
2锂辉石陶瓷
锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)晶体共有三个变体,分别是α-锂辉石、β-锂辉石、γ-锂辉石。α-锂辉石通常称为锂辉石,是低温稳定变体;β-锂辉石是稳定的高温变体;γ-锂辉石是高温亚稳态变种,进一步受热将能变为β-锂辉石。
锂辉石陶瓷的性能用途:
①具有很低的热膨胀系数,优良的抗热震性能,因而广泛用于窑具、感应加热部件(如微波炉垫片)、高温夹具、电阻丝线圈、高压输电绝缘子、天文望远镜镜坯、高温辐射挡板、家庭用耐热餐具,以及热电偶保护管等。锂辉石陶瓷可制成零膨胀或微正膨胀陶瓷,因而,应用于叶轮翼片、喷气发动机部件、喷嘴衬片、内燃机部件,以及尺寸要求很稳定的高精度电子元件等。
②具有高温化学稳定性,可用于金属浇注桶、实验室燃烧舟和燃烧管、耐酸浸槽等。
3钛酸铝陶瓷
钛酸铝陶瓷具有高熔点、低膨胀等特点。它在~℃之间易分解生成相应的化合物Al2O3和TiO2,而且钛酸铝不易烧结,强度低,使其应用范围受到很大的限制。
图2.钛酸铝陶瓷制品via网络钛酸铝陶瓷作为一种特有的优良抗热震性、高耐火的无机非金属材料,广泛应用于冶金、热工、机械、化工等领域,如净化、汽车、排气及其他工业废气用的催化载体,高温下使用的热交换器、热电偶套管、汽车排气管、高温快烧窑具、连续铸钢用的储水灌、熔融合金用的坩埚等。
4微晶陶瓷
将加有特定成核剂组成的基础玻璃,在一定温度下热处理后,就变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料,称之为微晶陶瓷或微晶玻璃。
低膨胀微晶陶瓷其最优秀的性能是低的热膨胀系数,而且抗弯强度大。主要应用于天文反射镜、气体激光谐振器的支持棒、炊餐具、高温光源用玻璃,实验室用加热器具、高温热交换器代替石英玻璃等。