高溫無機隔熱塗層種類很多,噴塗方法也不一樣。最原始的方法就像搪瓷的製造方法一樣,故稱做高溫搪瓷塗層法。例如,以氧化鋇和氧化矽及氧化鉻粉等配製的釉漿,加塗在預先噴過砂的清潔的難熔金屬表麵,經過高溫熔燒後,就製得高溫搪瓷塗層。這種塗層的厚度為20~100微米,塗料中加入氧化鋇的目的是使塗層與金屬基體的熱膨脹係數相匹配,加入氧化鉻的目的是為了提高塗層的使用溫度。
而要想以熔點更高的純氧化物或碳化物等作塗層材料,就要采用火焰噴塗法、等離子體噴塗法或激光噴塗法。
火焰噴塗法采用的火焰常有氫-氧火焰、氧-乙炔火焰。氫-氧火焰的溫度可達2660℃;氧-乙炔火焰的溫度可達3000℃,可將熔點在2700℃以下的氧化物噴成塗層。這種噴塗方法所用的噴塗材料可以是粉體,也可以做成棒狀。粉體塗料能自動地被吸入氧-乙炔火焰中而熔化,並隨火焰噴到基體上;棒狀塗料的一端置於氧-乙炔火焰中而被燒蝕,借助於壓縮空氣流使熔融物霧化,然後噴到基體上。粉體噴塗速度較快,塗層結構比較粗糙,有氣孔,粘著性和致密度都比較差;棒體噴塗的速度比較慢、塗層呈層狀,結構致密。
等離子體噴塗法是用電弧法產生等離子體弧焰,其溫度可達5000℃以上,以很高的速度從等離子體噴槍口噴射出來,噴塗的粉料經送粉器送到靠近槍口的弧焰內,粉料顆粒被迅速熔化,用等離子作噴塗法,噴塗二氧化鋯塗層,可以使燃氣輪機的工作溫度提高約200℃,從而收到顯著的節能效果。二氧化鋯的導熱係數很小,輻射係數也很小,但是,它的熱膨脹係數與金屬基體不匹配。為了解決這一問題,可采用鎳鋁合金或鈷鉻鋁釔合金作中間層。也可以采用多級噴塗,多級噴塗用材料逐漸由金屬過渡到二氧化鋯。
激光噴塗法用大功率二氧化碳激光器作噴槍,產生大能量的激光束,當粉狀塗料送到激光束內時,塗料很快吸收激光能量並迅速熔融成細小的熔滴,並噴塗到基體表麵。隻要把帶有塗料的激光束在基體上來回掃描,就能在基體上噴上一層薄薄的塗層。
還有一種方法,稱為氣相沉積法,這在前麵介紹熱解石墨時提到過。它可用於燃氣輪機渦輪葉片的塗層上。方法是將金屬蒸汽、金屬鹵化物或其他化合物的蒸汽,在溫度為1000~2500℃的真空或氬、氫等保護氣氛中與基體接觸,經分解、還原、置換及擴散等過程,最後形成碳化物、硼化物、氮化物或氧化物等沉積在基體表麵上,成為與基體有良好粘接的致密隔熱塗層。氣相沉積塗層的工藝特點是要預先將塗料製成易揮發的原料,使它在高溫下能變成氣相。這種塗層很薄,塗層由塗料與基體所形成的固溶體或金屬間化合物所組成,所以塗層與基體之間有非常良好的粘結性。
2導電陶瓷
傳統陶瓷是良好的絕緣體,這幾乎是人所共知的。在現今社會,凡是有電的地方,都可以看到各種用傳統陶瓷製成的絕緣器件。由此就給人們留下了一個錯覺:陶瓷材料都是絕緣體。其實不然!且不說前麵提到的碳化矽及碳素製品是良好的導體,就是由氧化物或複合氧化物製成的新型陶瓷材料中,不僅有良好的絕緣體,也有電子導電體、離子導電體、半導體及其他導電材料。
(1)電子導電陶瓷。
在氧化物陶瓷中,離子的外層價電子通常是受到原子核的較大吸引力,束縛在各自的離子上的,即使是加上不高的外電場,這些價電子也不能自由運動而成為所謂的自由電子。所以氧化物陶瓷通常是不導電的絕緣體,或者說是電介質。但是,如果把某些氧化物加熱,或者用其它的方法激化,使外層價電子獲得足夠的能量,足以克服原子核對它的吸引力,擺脫原核對它的控製,而成為自由電子,於是,這種氧化物陶瓷就成了電子導體或半導體了。
(2)離子導電陶瓷。
在電解質溶液中,電導主要來自帶電離子的運動;而在固態離子型晶體中,帶電離子倍受限製,但仍能以擴散的形式發生,從而產主離子導電。離子在晶體中擴散是通過取代晶格空位的方式進行的。在一般情況下,這類運動取向混亂,不給出淨的電荷流動,因此不產生電流。然而,在電場作用下,情況就不同了,離子沿電場方向運動的幾率增大,從而產生離子電流。
(3)半導體陶瓷。
具有正電阻溫度係數的鈦酸鋇陶瓷元件可作為定溫發熱體,溫度檢測元件和延遲元件。氧化鋅陶瓷半導體作為可變電阻表現突出,可用於各種電氣和電子線路的穩壓和過電壓保護、各種繼電器接點的滅弧等,它比碳化矽可變電阻的性能更優越。
(4)強介電陶瓷電容器。
陶瓷介電材料除了要有高的電阻率和低的介電損耗以外,有的還需要有高的介電常數,有的需要低的介電常數。作為電容器材料,需要的是高的介電常數。
近年來,隨著電路的小型化,推動了大容量的微型電容器的研究與開發。這種大容量的電容器幾乎都是用高介電常數的陶瓷材料做成。
3、壓電陶瓷
壓電陶瓷是一種可以使電能和機械能相互轉換的特殊陶瓷材料。具體點講,壓電陶瓷受到機械應力時,會引起極化現象,而且極化值與應力成正比;相反,在電場作用下,會產生與電場強度成正比的應變(變形)。
在19世紀,人們就發現某些自然界礦物的晶體有壓電效應,但人工合成具有壓電性能的陶瓷材料,則始於20世紀40年代。
壓電陶瓷是一種燒結致密的多晶材料,它是怎樣具有壓電性能的呢?原來,組成壓電陶瓷的晶體都不具有對稱中心,這種無對稱中心的晶體在外加壓力下,正、負離子形成了各自的電作用中心,從而產生電偶極子。由於這一過程是自發的,所以稱之為自發激化。由自發激化產生的偶極子具有一定指向,指向一致的區域就形成“電疇”。由於壓電陶瓷中晶粒是雜亂無章地排列的,因而各電疇的指向也是任意的,在這種狀態下材料顯示不出壓電性。壓電陶瓷中的電疇取向一致時,才能表現出宏觀的壓電性。為了使電疇的方向趨向一致,對材料還得作極化處理。極化處理就是對壓電陶瓷施加高壓電場,使材料中的電疇按一定指向整齊一致地排列好。當外加電場去掉後,電疇的指向不再恢複,而是長久地保持極化處理後的一致排列。由此可以看出,具有壓電性能的陶瓷材料必須滿足兩個基本條件:首先,它必須是無對稱中心的晶體;其次,在電場作用下自發激化能夠隨電場方向改變。
從研究成功鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛係壓電陶瓷以來,目前已發展到包括Pb(Ti、Zr)O3+ABO3(A代表正二價金屬,B代表正四價金屬)係在內,壓電陶瓷材料的種類已經十分可觀了。
與單晶壓電材料相比,壓電陶瓷的優點是易於加工成各種形狀的元件,便於批量生產,價格低廉,可通過控製極化方向及用添加物來控製壓電特性。但是,壓電陶瓷與其他壓電材料相比,其應用受到本身強度(相對變形不超過千萬分之一)和介質擊穿的限製,壓電陶瓷的電荷密度和應變振幅均有一定的極限。因此,壓電陶瓷在低頻方麵的用途較少,主要用於聲波和超聲波等頻率較高的場合。
壓電陶瓷的用途之一是作為換能器。最常見的是作為聲音轉換器,在氣體中工作的換能器有拾音器、傳聲器、耳機、揚聲器及電視遙控器等;水聲換能器有超聲探深儀、聲納等;在固體中的聲換能器有超聲波探傷儀、厚度計等。用於超聲波頻率的壓電陶瓷換能器還可以發射大功率的強力超聲波,在工業上用於清洗、攪拌、乳化和混合。還可以做成各種超聲波切割器、焊接裝置及烙鐵,對塑料甚至金屬進行加工。
壓電陶瓷的另一大用途是作為振子。其工作原理是壓電陶瓷在電場作用下變形而振動。如果電場的頻率與壓電陶瓷的固有頻率相近,就會發生共振。共振時壓電陶瓷的振幅要比一般頻率下的振幅大數百倍,這時電能可最大限度地轉變為機械能。壓電陶瓷振子頻率範圍很寬,可以從103赫(聲頻)到1011赫(微波)的寬廣範圍內工作。按照工作情況和使用場合,壓電陶瓷振子常被作為濾波器、振蕩器、變形器及延遲換能器,這些電子元件已經在電視、通信及計算機中廣泛使用。
壓電陶瓷片還是一種理想的高壓電源,廣泛地用於點火、觸發和引爆。壓電陶瓷作為高壓電源時,利用了它能將機械能轉換成電能的特性,在壓電瓷片上施加5105兆帕的壓力時,就會產生5~15千伏/厘米的開路電場強度。加壓方式可以是撞擊式,也可以是逐漸加壓的。例如,電子打火機中的壓電陶瓷片承受的就是撞擊式加壓。用鈦鋯酸鉛壓電陶瓷做成的“火石”,“打火”次數可在100萬次以上。
4磁性陶瓷
具有磁學性能的陶瓷材料,或者說,置於磁場中能夠被強烈磁化的陶瓷材料稱為磁性瓷,通常又稱做鐵氧體。鐵氧體產生磁性的原因主要是由電子自旋引起磁矩而造成的。
鐵氧體是由含有正三價鐵離子而且顯示鐵氧體磁性的氧化物陶瓷的總稱。它的化學表達式為MFeO3,其中M代表鎂、鎳、鈷、鐵、鋅、錳、鎘等正二價的陽離子。從結晶學觀點看,在技術上最重要的鐵氧體的結構是尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型及其衍生結構。
鐵氧體又分為軟磁鐵氧體和硬磁鐵氧體。軟磁鐵氧體能沿磁場方向強烈地磁化,但撤去磁場後磁性立即消失。軟磁鐵氧體是利用它的高電阻、高頻時渦流損耗小的特點,作為磁路來使用的。而硬磁鐵氧體一旦被磁化,就可長久地保持磁性,所以又稱為永久磁石。硬磁鐵氧體具有單晶疇結構,有較高的矯頑力和剩餘磁感應強度。
軟磁鐵氧體常用作各種高頻磁芯。已實用的軟磁鐵氧體幾乎都是錳鐵氧體、鎳鐵氧體及它們和鋅鐵氧體(一種非磁性鐵氧體)的固溶體。錳-鋅鐵氧體屬尖晶石型結構,它的電阻率比較小(103歐姆·厘米以下),飽和磁感應強度很大,為了提高它的導磁率,對原料的純度要嚴加控製,燒結時在盡量消除氣孔和保持一定平均粒徑的晶粒組成。添加微量的氧化鈣、二氧化矽和氧化鎘以後,錳-鋅鐵氧體的磁導率可提高20000(亨利/米)以上,是一種很好的低頻磁芯材料。鎳-鋅鐵氧體也屬尖晶石型結構,它的電阻率在106歐姆·厘米以上,為了減少高頻損耗,原料中可加微量的氧化鈷或氧化錳。鎳-鋅鐵氧體可用作中頻以上頻帶的磁芯。