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常被用于電熱元件中的結(jié)構(gòu)陶瓷材料——二硅化鉬

01  二硅化鉬材料

二硅化鉬(MoSi2)的晶體為四方結(jié)構(gòu),是Mo-Si二元合金系中含硅量最高的一種中間相,是成分固定的道爾頓金屬間化合物,灰色,有金屬光澤。具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,力學(xué)性能和高溫抗氧化性能都十分優(yōu)異,可用作發(fā)熱元件,性能超過碳化硅。其早期的應(yīng)用就是作為金屬基體表面耐高溫抗腐蝕的涂層保護(hù)材料,最開始應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)零部件、噴氣發(fā)動機(jī)燃燒室及導(dǎo)彈燃燒室的涂層。如今,二硅化鉬材料主要的工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用是在制作高溫發(fā)熱元件和熱電偶保護(hù)管上。

02  二硅化鉬材料的特性

①結(jié)晶學(xué)性質(zhì):屬四方晶體結(jié)構(gòu),密度為5.9-6.3g/cm3。純二硅化鉬在達(dá)到熔點(diǎn)前無相變,熱穩(wěn)定性好,在其有效使用溫度范圍上限內(nèi),溫度的上升與下降不會因發(fā)生結(jié)晶學(xué)性質(zhì)的變化而破壞。

②熱力學(xué)性質(zhì):熔點(diǎn)高達(dá)2030℃,導(dǎo)熱率較高(與SiO相近),熱膨脹系數(shù)小,這些特性是制作高溫發(fā)熱元件或熱電偶保護(hù)管的必備條件,并且有利于增加其制品的抗熱震性能。

③電磁性質(zhì):電阻率低(2×10-5Ω·cm),電率高,屬于良導(dǎo)體。該材質(zhì)是制造發(fā)熱元件、熱電偶熱電極和測溫保護(hù)管的優(yōu)良材料(作熱電偶保護(hù)管時需注意絕緣)。

④機(jī)械性質(zhì):抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度不低于一般金屬材料和部分氧化物材料(如Al2O3),硬度和抗壓強(qiáng)度還比金屬高。與金屬相比最大的缺點(diǎn)在于沖擊韌性差,所以同一般陶瓷制品一樣屬于脆性材料。因此實(shí)際生產(chǎn)過程中在不影響自身高溫抗氧化性能的條件下添加少量金屬結(jié)合劑,制成金屬陶瓷。

⑤化學(xué)性質(zhì):化學(xué)態(tài)為酸性,常溫下與絕大多數(shù)的酸堿都是不溶的,除氧化物陶瓷之外,MoSi2是所有難熔化合物中抗氧化穩(wěn)定性最高的一種。由于硅在鉬中的溶解度為1%左右(1800℃),即決定了MoSi2的氧化穩(wěn)定性溫度在1700℃以下。

二硅化鉬自身并不抗高溫氧化,而是在1300~1600℃時,其表面形成一層薄而致密的二氧化硅玻璃態(tài)保護(hù)層而抑制繼續(xù)氧化。MoSi2不僅在氧化性介質(zhì)中穩(wěn)定,同時還可在還原性、中性、惰性以及一些強(qiáng)腐蝕氣氛中使用到相當(dāng)高的溫度。如在N2、CO2和SO2等介質(zhì)中最高使用溫度可達(dá)1600℃。

03  二硅化鉬的制取

二硅化鉬可以通過Mo粉與Si粉直接反應(yīng)合成而獲得?;蚶肕o的氧化物還原反應(yīng)合成。

二硅化鉬制件可以用冷壓燒結(jié)或熱壓法制得。如用模壓法成形時,可用面糊、淀粉、甘油等作粘結(jié)劑。用擠壓法成形時,加入2%~4%的糊精做粘結(jié)劑。MoSi2制品在1500~1900℃燒成。如果在二硅化鉬粉料中加入少量的SiO2,則由于高溫下SiO2熔化會在二硅化鉬制品表面形成一層保護(hù)膜,使二硅化鉬的工作溫度提高到1710~1780℃。冷壓燒結(jié)制品力學(xué)性能較差。熱壓時,溫度為1550~1750℃,壓力9.8~78.5MPa。用二硅化鉬和氧化鋁混合物來熱壓,可以得到不同性能的二硅化鉬制品。

04  二硅化鉬的應(yīng)用

目前,工業(yè)生產(chǎn)量最大、用途最廣的硅化物制品是二硅化鉬,其主要產(chǎn)品為高溫發(fā)熱元件和熱電偶保護(hù)管。

①應(yīng)用到電熱元件中

二硅化鉬發(fā)熱元件在氧化性氣氛中雖然能長期使用到1700℃,由于散熱等因素致使用該發(fā)熱元件裝配的箱式電阻爐及工業(yè)用隧道窯的爐膛溫度一般僅為1600℃左右。二硅化鉬棒狀“U”發(fā)熱元件電阻爐的用途極其廣泛,目前仍居該類材料加熱元件之首。

②應(yīng)用到熱電偶保護(hù)管中
二硅化鉬基熱電偶保護(hù)管具有耐高溫、抗腐蝕、氣密性好、耐熱沖擊、使用壽命長等優(yōu)良特性。該保護(hù)管在我國化肥 工業(yè)的高、中、低壓重油氣化爐的測溫中獲得了較好應(yīng)用,因其替代了日本進(jìn)口而價格昂貴的99.95%氧化鋁剛玉管而為國家節(jié)約不少外匯。另外,用該管經(jīng)特種裝配而成、并能用于大氣測溫的鎢錸電偶在冶金等行業(yè)測溫中也得到了較好的應(yīng)用,以價廉的鎢錸熱電偶絲替代貴金屬熱電偶絲則價格便宜了以備以上,故為用戶節(jié)約了測溫費(fèi)用。除以上示例外,二硅化鉬保護(hù)管還在石油化工、煤化工、碳黑、水泥及機(jī)械等行業(yè)的高溫強(qiáng)腐蝕裝置的測溫中獲得了廣泛應(yīng)用。
③應(yīng)用到傳感器中
1986年3月,美國加利福尼亞大學(xué)材料科學(xué)工程系研制成功“用于渦輪機(jī)引擎的硅化鉬薄膜電位式溫度傳感器”。據(jù)報導(dǎo),二硅化鉬溫度傳感器體積小、能長期用于1200℃溫度測量。由于傳感器元件內(nèi)的二硅化鉬層只有3-10μm厚,致使其電阻率(室溫350μΩ·㎝)大于理論值約2個數(shù)量級,電阻溫度系數(shù)為11.95×10-3K。該溫度傳感器具有貴金屬厚膜電阻溫度傳感器的同樣功能,而工作上限溫度高于它的一倍是其突出特點(diǎn)。

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