Come si comportano le flange in ceramica a temperature estreme

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Proprietà del materiale delle flange in ceramica
Flange in ceramica sono solitamente realizzati con materiali ceramici ad alte prestazioni, come la ceramica al nitruro di silicio, la ceramica allo zirconio, ecc. Questi materiali hanno strutture cristalline uniche ed eccellenti proprietà fisico-chimiche che li rendono performanti a temperature estreme.

• Elevato punto di fusione: Il punto di fusione delle ceramiche al nitruro di silicio supera i 1600 °C e quello delle ceramiche allo zirconio raggiunge i 2700 °C. Ciò consente alla flangia in ceramica di mantenere l'integrità strutturale in ambienti ad alta temperatura senza ammorbidirsi o fondersi come i materiali metallici tradizionali.
• Resistenza all'ossidazione: Le ceramiche al nitruro di silicio possono formare una densa pellicola di ossido di silicio in un ambiente ossidante ad alta temperatura, impedendo l'ulteriore penetrazione dell'ossigeno e proteggendo così il materiale dai danni ossidativi. Anche le ceramiche di zirconio hanno un'eccellente resistenza all'ossidazione e rimangono stabili anche a temperature estreme.
  Basso coefficiente di espansione termica: Il coefficiente di espansione termica della ceramica al nitruro di silicio è pari a solo 1/4 di quello dei metalli, il che significa che le dimensioni della flangia in ceramica cambiano meno al variare della temperatura, riducendo efficacemente la concentrazione di stress e le deformazioni causate dall'espansione e dalla contrazione termica.

Le prestazioni delle flange in ceramica a temperature estreme
A temperature estremamente elevate, le flange in ceramica possono mantenere stabili le proprietà fisiche e chimiche.

• Resistenza meccanica: Le flange ceramiche in nitruro di silicio possono mantenere una buona resistenza meccanica anche a temperature elevate di migliaia di gradi. Ad esempio, in un sistema di flange del circuito primario di un reattore nucleare, la flangia in ceramica ha un tasso di perdita di tenuta inferiore a 0,01 g/h in un ambiente acquatico ad alta pressione di 350°C/15,5 MPa.
• Prestazioni di tenuta: Le flange in ceramica sono in grado di mantenere buone prestazioni di tenuta alle alte temperature. Ad esempio, nelle condutture idrogeno-ossigeno dei motori aerospaziali, le flange in ceramica possono spostarsi di meno di 5 micron all'interfaccia di tenuta in condizioni estreme di idrogeno liquido a -253°C e di impatto del gas a 1600°C.
• Resistenza agli shock termici: Le flange in ceramica hanno un'eccellente resistenza agli shock termici. Ad esempio, le ceramiche al nitruro di silicio mantengono più di 95% della loro resistenza residua dopo 100 cicli di rapido raffreddamento e rapido riscaldamento a Delta T = 800 °C.

Le prestazioni delle flange in ceramica a temperature estremamente basse
Le flange in ceramica non solo funzionano bene in ambienti ad alta temperatura, ma mantengono buone prestazioni anche in ambienti a temperature estremamente basse.

• Tenuta a bassa temperatura: Nella conduttura dell'idrogeno e dell'ossigeno del motore aerospaziale, la flangia in ceramica presenta uno spostamento dell'interfaccia di tenuta inferiore a 5 micron nell'ambiente dell'idrogeno liquido a -253 °C. Ciò dimostra che la flangia in ceramica può ancora mantenere buone prestazioni di tenuta a temperature estremamente basse.
• Resistenza alle basse temperature: I materiali ceramici non diventano fragili come i metalli alle basse temperature, ma possono mantenere un'elevata resistenza e tenacità. Ad esempio, le ceramiche al nitruro di silicio possono mantenere un'elevata resistenza meccanica in ambienti a bassa temperatura.

Tecnologia di connessione delle flange in ceramica
Per garantire l'affidabilità delle flange in ceramica a temperature estreme, anche la tecnologia di giunzione è fondamentale.

• Tecnologia di brasatura attiva: Utilizzando la saldatura attiva Ag-Cu-Ti, è possibile ottenere una buona connessione tra ceramica e metalli. Ad esempio, nella connessione di ceramiche al nitruro di silicio con i metalli, si utilizza il sistema Ag-27,5Cu-4,5Ti (wt.%) e la temperatura della linea di fase liquida è di 850°C, in grado di formare uno strato di reazione continuo TiN/TiSi 2O.
  Processo di saldatura per diffusione in fase solida: un processo speciale sviluppato per l'intero ciclo di vita delle condutture di energia nucleare, in grado di collegare saldamente ceramica e metalli ad alte temperature.
  Innovazione nella saldatura a rivestimento laser: l'utilizzo di un laser a fibra da 3 kW per ottenere una saldatura a rivestimento locale consente di controllare efficacemente la profondità del bagno fuso e di migliorare l'ermeticità e la durata della resistenza alle alte temperature del giunto saldato.

Campo di applicazione
Le eccellenti proprietà delle flange in ceramica le rendono ampiamente utilizzate in molti campi.
Aerospaziale: utilizzato nella produzione di strutture critiche come i componenti dei motori e i sistemi di protezione termica, in grado di resistere a temperature estremamente alte e basse.
Industria nucleare: Nei reattori nucleari, le flange in ceramica garantiscono la tenuta e la sicurezza del sistema.
Industria chimica: utilizzata nei reattori ad alta temperatura, nelle condutture e in altri componenti chiave, in grado di resistere alla corrosione ad alta temperatura.

Flange in ceramica si comportano bene in ambienti a temperature estreme grazie all'elevato punto di fusione, alla resistenza all'ossidazione, al basso coefficiente di espansione termica e all'eccellente resistenza agli shock termici. Che si tratti di alte o basse temperature, le flange in ceramica mantengono stabili le proprietà fisiche e chimiche, garantendo l'affidabilità e la sicurezza del sistema.