一種超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體的製備方法
2023-05-25 20:28:11 2
專利名稱：一種超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種耐2000度氧化環境的超高溫電致熱陶瓷發熱體的製備方法，屬於電致熱陶瓷發熱體材料領域。
背景技術：
高超聲速飛行器的鼻錐、翼前緣、發動機熱端內腔等各種關鍵部位或部件一般都處於高於1800°C的複雜氣動熱/力耦合或複雜燃燒環境。為了確保航空航天飛行器材料的性能能夠符合特殊服役環境(如超高溫、氧化等嚴酷條件)要求，急需建立和完善超高溫等極端惡劣環境中材料性能的測試方法和技術。目前超高溫氧化極端環境下的力學、抗氧化和抗熱震性能等材料性能實驗技術鮮有報導，制約了超高溫氧化極端環境下材料性能的實驗研究。其中主要原因之一是由於現有設備的超高溫發熱體難以長時間穩定地提供1800 度以上的氧化環境。但是，目前高新技術和國防裝備建設的發展迫切需要在這種超高溫氧化環境下的材料性能測試。因此，提升超高溫極端氧化環境下發熱體的研製水平，對於滿足高新技術領域和國防裝備建設中的材料與結構在超高溫氧化極端環境下的性能測試、評價等方面顯的尤為重要。電致熱陶瓷發熱體是指能夠通過電流使得自身發出熱量，從而達到加熱其他工件的陶瓷。目前應用的電加熱體種類繁多，但是，應用於超高溫環境下的電致熱陶瓷發熱體主要分為三類(I)氧化鋯發熱體長期使用的最高溫度為1900度，但是ZrO2的室溫電阻過大，使用時必須外加輔助的發熱體或預熱設備加熱至1000度以上方能工作；(2)鉻酸鑭發熱體長期使用的最高溫度為1750度，抗熱震性能和力學性能較差，極易脆斷；(3)石墨發熱體抗氧化性能很差，只適合於應用於超高溫真空或惰性環境，無法應用於超高溫的氧化環境。綜合以上目前應用的發熱體，雖然各自有各自的特點，也能夠滿足相應領域的一定要求，但是都不能在2000度氧化環境下進行應用。近年來，由於硼化鋯基複合材料有良好的高溫抗氧化性、抗腐蝕、抗熱震性和導電性等優點，有望作為超高溫電致熱陶瓷發熱體應用。儘管現已有兩個專利技術(ZL 201020653591. X, ZL 201210085719. O)提及採用硼化鋯基複合材料作為2000度氧化環境的超高溫發熱體，但專利ZL201210085719. O中提及的超高溫陶瓷只是在感應加熱線圈內起到傳熱作用，不屬於電致熱陶瓷發熱體，電致熱陶瓷發熱體的結構和製備工藝與本專利提到的不一樣；專利ZL 201020653591. X中只涉及超高溫電致熱陶瓷發熱體的拼接設計，沒提到該類發熱體材料製備工藝等內容，其涉及的發熱體材料成分與本專利提到的不一樣；而且，這種拼接結構在電加熱過程中易產生「放電」現象，嚴重降低發熱體的安全性和使用壽命。另外，目前的研究表明，為了保證電致熱陶瓷發熱體熱端與冷端具有較高的電阻比，以往普遍採用同一成分的材料擠成管狀，或中間細、兩頭粗的形狀的方法，很難兼顧發熱體的強度、抗熱震等性能；當冷端、熱端和過渡段的電阻率形成一定的梯度時，可以適當增大熱端和冷端的壁厚差值來保證發熱體的使用可靠性，但也會給材料成型帶來了一定的難度。綜上所述，目前對於溫度超過2000度超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體市場還處於相對空白的狀態，發熱體材料的成分配比和一體化成型方法還鮮有報導，因此，開展冷等靜壓-無壓燒結製備電致熱的硼化鋯基複合陶瓷發熱體具有重要的現實意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種硼化鋯(ZrB2)基複合材料的梯度結構發熱體的製造方法，該方法能製成在2000度以下的氧化環境中長期正常使用的電致熱超高溫陶瓷發熱體。本發明提供的技術方案如下一種超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體的製備方法，所述發熱體為硼化鋯基 複合材料的梯度結構發熱體，其製備方法包括如下步驟I)取用不同晶粒的硼化鋯、碳化矽和石墨為配料，針對梯度複合材料的各段結構，分別取不同配方量，其中，冷端材料為硼化鋯、碳化矽、石墨；過渡段材料為硼化鋯、碳化矽、石墨；熱端材料為硼化鋯、碳化矽；以酒精為溶劑；放入裝有碳化矽陶瓷球的球磨罐；2)將球磨罐放在行星球磨機中進行球磨，球磨機的運行速度為150-250轉/分鐘，球磨時間為8-24小時；3)將混合料在旋轉蒸發器中烘乾，其中，水浴溫度為60-85度，旋轉瓶轉速為15-60轉/分，烘乾時間為1-5小時；烘乾後的混合粉過30-100目篩；4)將過篩後不同梯度層的混合粉依次裝入成型模具，每裝入一層用壓杆預壓後再裝入下一層，然後進行冷等靜壓成型，成型壓力150-300MPa，保壓時間1_20分鐘，坯體的乾燥溫度為50-90度,乾燥時間為2-6小時；5)在惰性氣氛中進行無壓燒結，燒結溫度為1900-2100度，保溫時間為O. 5-3小時，升溫速度和降溫速度為10-25度/分鐘；6)冷卻至60度以下後打開爐門，取出試樣；7)冷卻後用砂紙打磨成為產品。所述的製備方法，步驟I)中，硼化鋯的粒徑為O. 8-2 μ m，碳化矽的粒徑為
I.0-1. 5 μ m,石墨的粒徑為10-30 μ m。所述的製備方法，步驟I)中，按體積百分比，冷端材料配比為硼化鋯40-75%、碳化矽10-30%、石墨15-30% ;過渡段材料配比為硼化鋯50-85%、碳化矽10_30%、石墨5-20% ;熱端材料配比為硼化鋯70-90%、碳化矽10-30%。所述的製備方法，步驟I)中，陶瓷球配料酒精的體積比為I :1 I. 5 :2 4。本發明的另一個目的是提供一種超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體，所述發熱體為用上述的製備方法製備出的硼化鋯基複合材料的梯度結構發熱體。本發明的最大優點在於利用冷等靜壓成型一無壓燒結技術製備出電致熱的超高溫硼化鋯基複合陶瓷發熱體。本發明製備的電致熱陶瓷發熱體能夠不依靠輔助發熱體或其他感應裝置，直接連接電源來就能實現發熱使用，而且，將梯度結構和優化的成分配比方案，還能使其在較短時間內達到2000度並保持長時間穩定工作；能解決不同成分的超高溫陶瓷發熱體梯度層的一次性成型和燒結一致性的問題，還具有製造工藝簡單、熱震性能好和使用壽命長等優點。
圖I為採用本發明的方法製造的發熱體的結構示意圖；圖2為圖I的左視圖其中1為發熱端、2為過渡段、3為冷端。
具體實施方式
以下用實施例對本發明做進一步說明。實施例1-3的具體原料配比見表I所示， 表中數據以體積百分比計。實施例I :參考附圖I和2，給出了一個採用本發明的方法製造的兩端粗、中間細的棒狀發熱體的例子。發熱體包括發熱端I、過渡段2和冷端3，發熱端I在發熱體的中間位置，兩端為冷端，在發熱端I和冷端3之間的圓弧段為過渡段；其中，發熱端I由高電阻材料，冷端3由低電阻材料，過渡段2由處於高電阻材料和低電阻材料之間的材料。其製造原料發熱端ZrB2+20vol.%SiC;過渡段ZrB2+20vol.%SiC + 10vol. %C;冷端ZrB2+20vol.%SiC + 20vol. %C;其中，首先，以酒精為溶劑，分別放入裝有SiC陶瓷球的球磨罐，其中，陶瓷球配料酒精的體積比I :1 :2，將球磨罐放在行星球磨機中進行球磨，球磨機的運行速度為180轉/分鐘，球磨時間為8小時；接著，將混合料在旋轉蒸發器中烘乾(水浴溫度為80度,旋轉瓶轉速為60轉/分，烘乾時間為I小時)，烘乾後的混合粉過30目篩；其次，按發熱體結構分別將冷端、過渡段和熱端的混合料按順序、比例和長度要求裝入成型模具中，進行冷等靜壓成型，成型壓力為240-MPa，保壓時間10分鐘；毛坯製作完成後，在80度下乾燥6小時；再次，在1950度的惰性氣氛中進行無壓燒結，保溫時間為I. 5小時，升溫速度和降溫速度為25度/分鐘；最後，將冷卻後的試樣通過400號-800號-1500號水砂紙依次打磨即可。實施例2 參考附圖I和2，給出了一個採用本發明的方法製造的兩端粗、中間細的棒狀發熱體的例子。發熱體包括發熱端I、過渡段2和冷端3，發熱端I在發熱體的中間位置，兩端為冷端，在發熱端I和冷端3之間的圓弧段為過渡段；其中，發熱端I由高電阻材料，冷端3由低電阻材料，過渡段2由處於高電阻材料和低電阻材料之間的材料。其製造原料發熱端ZrB2+10vol.%SiC;過渡段ZrB2+1OvoI.%SiC + 15vol. %C;冷端ZrB2+1Ονο I. %SiC + 30vol. %C;其中，首先，以酒精為溶劑，分別放入裝有SiC陶瓷球的球磨罐，其中，陶瓷球配料酒精的體積比I :1. 5 :3. 0，將球磨罐放在行星球磨機中進行球磨，球磨機的運行速度為240轉/分鐘，球磨時間為15小時；
接著,將混合料在旋轉蒸發器中烘乾(水浴溫度為85度,旋轉瓶轉速為50轉/分，烘乾時間為O. 75小時)，烘乾後的混合粉過100目篩；其次，按發熱體結構分別將冷端、過渡段和熱端的混合料按順序、比例和長度要求裝入成型模具中，進行冷等靜壓成型，成型壓力為270MPa，保壓時間10分鐘；毛坯製作完成後，在90度下乾燥5小時；再次，在2050度的惰性氣氛中進行無壓燒結，保溫時間為I小時，升溫速度和降溫速度為20度/分鐘；最後，將冷卻後的試樣通過300號-600號-1200號水砂紙依次打磨即可。實施例3 參考附圖I和2，給出了一個採用本發明的方法製造的兩端粗、中間細的棒狀發熱體的例子。發熱體包括發熱端I、過渡段2和冷端3，發熱端I在發熱體的中間位置，兩端為冷端，在發熱端I和冷端3之間的圓弧段為過渡段；其中，發熱端I由高電阻材料，冷端3由低電阻材料，過渡段2由處於高電阻材料和低電阻材料之間的材料。其製造原料發熱端ZrB2+15vol.%SiC;過渡段ZrB2+15voI.%SiC + 5vol. %C;冷端ZrB2+15vo I. %SiC + 15vol. %C;其中，首先，以酒精為溶劑，分別放入裝有SiC陶瓷球的球磨罐，其中，陶瓷球配料酒精的體積比I :1. 2 :1. 8，將球磨罐放在行星球磨機中進行球磨，球磨機的運行速度為200轉/分鐘，球磨時間為12小時；接著,將混合料在旋轉蒸發器中烘乾(水浴溫度為75度,旋轉瓶轉速為55轉/分，烘乾時間為3小時)，烘乾後的混合粉過80目篩；其次，按發熱體結構分別將冷端、過渡段和熱端的混合料按順序、比例和長度要求裝入成型模具中，進行冷等靜壓成型，成型壓力為280MPa，保壓時間10分鐘；毛坯製作完成後，在85度下乾燥6小時；再次，在2000度的惰性氣氛中進行無壓燒結，保溫時間為45分鐘，升溫速度和降溫速度為15度/分鐘；最後，將冷卻後的試樣通過400號-600號-1000號-2000號水砂紙依次打磨即可。
權利要求
1.一種超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體的製備方法，其特徵是，所述發熱體為硼化鋯基複合材料的梯度結構發熱體，其製備方法包括如下步驟 1)取用不同晶粒的硼化鋯、碳化矽和石墨為配料，針對梯度複合材料的各段結構，分別取不同配方量，其中，冷端材料為硼化鋯、碳化矽、石墨；過渡段材料為硼化鋯、碳化矽、石墨；熱端材料為硼化鋯、碳化矽；以酒精為溶劑；放入裝有碳化矽陶瓷球的球磨罐； 2)將球磨罐放在行星球磨機中進行球磨,球磨機的運行速度為150-250轉/分鐘,球磨時間為8-24小時； 3)將混合料在旋轉蒸發器中烘乾，其中，水浴溫度為60-85度，旋轉瓶轉速為15-60轉/分，烘乾時間為1-5小時；烘乾後的混合粉過30-100目篩； 4)將過篩後不同梯度層的混合粉依次裝入成型模具，每裝入一層用壓杆預壓後再裝入下一層，然後進行冷等靜壓成型，成型壓力150-300MPa，保壓時間1_20分鐘，坯體的乾燥溫度為50-90度，乾燥時間為2-6小時； 5)在惰性氣氛中進行無壓燒結，燒結溫度為1900-2100度，保溫時間為O.5-3小時，升溫速度和降溫速度為10-25度/分鐘； 6)冷卻至60度以下後打開爐門，取出試樣； 7)冷卻後用砂紙打磨成為產品。
2.如權利要求I所述的製備方法，其特徵是，步驟I)中，硼化鋯的粒徑為O.8-2 μ m，碳化矽的粒徑為I. 0-1. 5 μ m，石墨的粒徑為10-30 μ m。
3.如權利要求I所述的製備方法，其特徵是，步驟I)中，按體積百分比，冷端材料配比為硼化鋯40-75%、碳化矽10-30%、石墨15-30% ;過渡段材料配比為硼化鋯50_85%、碳化矽10-30%、石墨5-20% ;熱端材料配比為硼化鋯70-90%、碳化矽10-30%。
4.如權利要求I所述的製備方法，其特徵是，步驟I)中，陶瓷球配料酒精的體積比為 I :1 I. 5 :2 4。
5.一種超高溫氧化環境下的電致熱陶瓷發熱體，其特徵是，所述發熱體為用權利要求I所述的製備方法製備出的硼化鋯基複合材料的梯度結構發熱體。
全文摘要
本發明提供了一種耐2000度氧化環境的超高溫電致熱陶瓷發熱體製造工藝方法，該方法利用冷等靜壓成型-無壓燒結技術製備梯度結構的ZrB2基複合材料發熱體。首先，將陶瓷發熱體的加熱端、過渡段和冷端按照不同體積比的ZrB2、SiC和石墨等粉體配製成漿料；接著，對漿料進行球磨、乾燥；其次，在模具內對各梯度層的複合粉體進行逐步鋪層；再次，進行冷等靜壓一次成型和坯體脫模；最後，在同一溫度下對梯度結構的坯體材料進行燒結即可。本方法製造的電致熱發熱體具不僅可實現有耐2000度超高溫、抗氧化、抗腐蝕、抗熱震、使用壽命長、結構簡單、升溫速度快等特點。
文檔編號C04B35/58GK102964125SQ201210494900
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者方岱寧, 張如炳, 程相孟, 裴永茂, 曲兆亮, 韋凱, 莊慶偉, 王戈 申請人:北京大學