Как керамические фланцы работают в условиях экстремальных температур

---

Свойства материала керамических фланцев
Керамические фланцы обычно изготавливаются из высокоэффективных керамических материалов, таких как керамика из нитрида кремния, циркониевая керамика и т.д. Эти материалы имеют уникальную кристаллическую структуру и отличные физико-химические свойства, благодаря которым они хорошо работают при экстремальных температурах.

• Высокая температура плавления: Температура плавления керамики из нитрида кремния превышает 1600 °С, а температура плавления циркониевой керамики достигает 2700 °С. Это позволяет керамическому фланцу сохранять структурную целостность в условиях высоких температур, не размягчаясь и не плавясь, как традиционные металлические материалы.
• Устойчивость к окислению: Керамика из нитрида кремния может образовывать плотную пленку оксида кремния в высокотемпературной окислительной среде, препятствуя дальнейшему проникновению кислорода, тем самым защищая материал от окислительного разрушения. Циркониевая керамика также обладает превосходной устойчивостью к окислению и остается стабильной даже при экстремальных температурах.
  Низкий коэффициент теплового расширения: Коэффициент теплового расширения керамики из нитрида кремния составляет всего 1/4 от коэффициента расширения металлов, что означает, что размер керамического фланца меньше изменяется при изменении температуры, что может эффективно уменьшить концентрацию напряжений и деформацию, вызванную тепловым расширением и сжатием.

Характеристики керамических фланцев при экстремальных температурах
При экстремально высоких температурах керамические фланцы могут сохранять стабильные физические и химические свойства.

• Механическая прочность: Керамические фланцы из нитрида кремния могут сохранять хорошую механическую прочность даже при высоких температурах в тысячи градусов. Например, в системе фланцев первого контура ядерного реактора керамический фланец имеет скорость утечки уплотнения менее 0,01 г/ч при высоком давлении воды в среде 350 °С/15,5 МПа.
• Герметичность: Керамические фланцы могут сохранять хорошую герметичность при высоких температурах. Например, в водородно-кислородном трубопроводе аэрокосмических двигателей керамические фланцы могут перемещаться менее чем на 5 микрон на границе раздела уплотнений в экстремальных условиях среды жидкого водорода при -253 °С и газового удара при 1600 °С.
• Устойчивость к тепловым ударам: Керамические фланцы обладают превосходной стойкостью к тепловым ударам. Например, керамика из нитрида кремния сохраняет более 95% своей остаточной прочности после 100 циклов быстрого охлаждения и быстрого нагрева при дельте T = 800 °С.

Характеристики керамических фланцев при экстремально низких температурах
Керамические фланцы не только хорошо работают в высокотемпературных средах, но и сохраняют хорошие характеристики при экстремально низких температурах.

• Низкотемпературное уплотнение: В водородно-кислородном трубопроводе аэрокосмического двигателя керамический фланец имеет смещение уплотнительной поверхности менее 5 микрон в среде жидкого водорода при температуре -253 °С. Это показывает, что керамический фланец может сохранять хорошие уплотнительные характеристики при экстремально низких температурах.
• Прочность при низких температурах: Керамические материалы не становятся хрупкими, как металлы, при низких температурах, но могут сохранять высокую прочность и вязкость. Например, керамика из нитрида кремния может сохранять высокую механическую прочность в условиях низких температур.

Технология соединения керамических фланцев
Для обеспечения надежности керамических фланцев при экстремальных температурах решающее значение имеет технология соединения.

• Технология активного припоя: С помощью активного припоя Ag-Cu-Ti можно добиться хорошего соединения керамики с металлами. Например, при соединении керамики из нитрида кремния с металлами используется система Ag-27,5Cu-4,5Ti (мас.%), а температура линии жидкой фазы составляет 850 °С, что позволяет сформировать непрерывный реакционный слой TiN/TiSi 2O.
  Процесс диффузионной сварки в твердой фазе: специальный процесс, разработанный для полного жизненного цикла трубопроводов атомных электростанций, способный прочно соединять керамику и металлы при высоких температурах.
  Инновации в области лазерной сварки плакировки: использование волоконного лазера мощностью 3 кВт для локальной сварки плакировки, что позволяет эффективно контролировать глубину расплавленного слоя и улучшить герметичность и срок службы сварного соединения при высокой температуре ползучести.

Область применения
Превосходные свойства керамических фланцев позволяют широко использовать их во многих областях.
Аэрокосмическая промышленность: используется для производства критически важных конструкций, таких как компоненты двигателей и систем тепловой защиты, способных выдерживать экстремально высокие и низкие температуры.
Атомная промышленность: В ядерных реакторах керамические фланцы обеспечивают герметичность и безопасность системы.
Химическая промышленность: используется в высокотемпературных реакторах, трубопроводах и других ключевых компонентах, способных противостоять высокотемпературной коррозии.

Керамические фланцы Благодаря высокой температуре плавления, устойчивости к окислению, низкому коэффициенту теплового расширения и превосходной стойкости к тепловым ударам керамические фланцы отлично работают в условиях экстремальных температур. При высоких или низких температурах керамические фланцы сохраняют стабильные физические и химические свойства, обеспечивая надежность и безопасность системы.