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費勉100問第九期 | 真空中的材料

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23.材料的導熱性和比熱容之間有沒有什么聯系,如導熱好的一般比熱容更???

如果我們把熱量比作水的話,那么單位材料的導熱和比熱容分別可以看作水池進出水的口徑以及水池的容量,這兩個參數之間并沒有直接的關系。

最簡單的舉例,水和銅:

液態水的比熱容是4200 J/(kg·K), 熱導率是 0.6 W/mK

銅單質的比熱容是 399 J/(kg·K), 熱導率是 401 W/mK

兩者之間的大小關系并不統一。

簡單來說,比熱容是代表著單位重量的材料每升高一度所需要的熱量,而熱導率是材料傳遞熱量的難易程度。兩者并不具有直接關聯。


24.PBN加熱器的工作原理是什么?絕緣層是什么材料?
PBN材料是指熱解氮化硼材料,通過CVD高溫沉積獲得。而BN指的是立方氮化硼,通過熱壓獲得。由于獲得工藝不同,PBN零部件的常見厚度小于等于3mm。

而PBN加熱片指的是在PBN基板上,沉積一層薄薄的石墨,通過加工(激光雕刻)形成石墨帶,形成石墨加熱器。最后在石墨層上面再覆蓋一層PBN覆蓋層(露出電極部分)成為完整的石墨加熱器。所以,基板和上面的絕緣覆蓋層都是PBN,發熱體是石墨帶。



▲PBN加熱器

PBN加熱片具有化學性質穩定,耐腐蝕等優點,一般最高樣品加熱溫度1200℃左右,可以在E-5mbar氧氣氛圍下工作。工作時需要注意避免大幅快速升降溫引起PBN覆蓋層和石墨層脫離,同時還要注意確保電極良好的電接觸,避免接觸處過熱,損壞電極。



25.PBN和氧化鋁的的性能區別和選用標準?

兩者都屬于我們非常常見的真空內絕緣陶瓷,但是使用環境和條件略有不同,我們需要從兩者加工工藝角度來展開講:
PBN的加工依賴于CVD氣相生長,由氨和硼的鹵化質反應,在真空環境下,反應蒸汽在模具表面形成層狀的生長,一層層的凝結最后形成需要的PBN零件。
請注意PBN要和BN區別開,就在于PBN是熱分解后(Pyrolytic)形成的。參見上一問。通過控制生長參數達到指定的厚度后就可以結束生長,并通過脫模把PBN零件和模具分離開。
利用這種工藝生長出來的零件的特點很明顯:
純凈度高,因為是真空環境下生長出來的。
厚度可控,可以做到很薄,因為這個本來就是層狀沉積出來的,只要控制好生長參數,可以做到很薄,甚至0.1mm(這里不考慮結構強度)。
精度較高,生長的時候實際的氮化硼薄膜緊貼模具,幾乎可以認為是模具的外延,因此PBN零件的精度完全取決于模具的精度。而這個模具依賴于機械加工,可以達到很高的精度。

氧化鋁的生產就是另一種方式,簡單來說,氧化鋁部件的生產分成型和燒結兩個步驟,它的原始材料是氧化鋁粉體,若制造高純氧化鋁陶瓷制品,除氧化鋁純度在99.99%外,還需超細粉碎且使其粒徑分布均勻。為了保證燒結的時候的穩定性,一般原料中還需要加入穩定劑,常見的穩定劑有氧化鋯等材料。
在準備好合理的粉體材料后,就可以準備進入成型流程,氧化鋁陶瓷制品成型方法有干壓、注漿、擠壓、冷等靜壓、注射、流延、熱壓與熱等靜壓成型等多種方法。對于我們在高溫超高真空環境的使用部件,一般采用干壓成型工藝:氧化鋁陶瓷干壓成型技術僅限于形狀單純且內壁厚度超過1mm,長度與直徑之比不大于4∶1的物件。成型方法有單軸向或雙向。壓機有液壓式、機械式兩種,可呈半自動或全自動成型方式。壓機最大壓力為200Mpa,產量每分鐘可達15~50件。由于液壓式壓機沖程壓力均勻,故在粉料充填有差異時壓制件高度不同。而機械式壓機施加壓力大小因粉體充填多少而變化,易導致燒結后尺寸收縮產生差異,影響產品質量。因此干壓過程中粉體顆粒均勻分布對模具充填非常重要。
將顆粒狀陶瓷坯體致密化并形成固體材料的技術方法叫燒結。燒結即,將坯體內顆粒間空洞排除,將少量氣體及雜質有機物排除,使顆粒之間相互生長結合,形成新的物質的方法。燒成使用的加熱裝置廣泛使用電爐。除了常壓燒結,即無壓燒結外,還有熱壓燒結及熱等靜壓燒結等。連續熱壓燒結雖然提高產量,但設備和模具費用太高,此外由于屬軸向受熱,制品長度受到限制。熱等靜壓燒成采用高溫高壓氣體作壓力傳遞介質,具有各向均勻受熱之優點,很適合形狀復雜制品的燒結。由于結構均勻,材料性能比冷壓燒結提高30~50%,比一般熱壓燒結提高10~15%。因此,目前一些高附加值氧化鋁陶瓷產品或國防軍工需用的特殊零部件、如陶瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管等制品均采用熱等靜壓燒成方法。
由以上的加工工藝,我們可以做一張列表




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