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费勉100问第九期 | 真空中的材料

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23.材料的导热性和比热容之间有没有什么联系,如导热好的一般比热容更小?

如果我们把热量比作水的话,那么单位材料的导热和比热容分别可以看作水池进出水的口径以及水池的容量,这两个参数之间并没有直接的关系。

最简单的举例,水和铜:

液态水的比热容是4200 J/(kg·K), 热导率是 0.6 W/mK

铜单质的比热容是 399 J/(kg·K), 热导率是 401 W/mK

两者之间的大小关系并不统一。

简单来说,比热容是代表着单位重量的材料每升高一度所需要的热量,而热导率是材料传递热量的难易程度。两者并不具有直接关联。


24.PBN加热器的工作原理是什么?绝缘层是什么材料?
PBN材料是指热解氮化硼材料,通过CVD高温沉积获得。而BN指的是立方氮化硼,通过热压获得。由于获得工艺不同,PBN零部件的常见厚度小于等于3mm。

而PBN加热片指的是在PBN基板上,沉积一层薄薄的石墨,通过加工(激光雕刻)形成石墨带,形成石墨加热器。最后在石墨层上面再覆盖一层PBN覆盖层(露出电极部分)成为完整的石墨加热器。所以,基板和上面的绝缘覆盖层都是PBN,发热体是石墨带。



▲PBN加热器

PBN加热片具有化学性质稳定,耐腐蚀等优点,一般最高样品加热温度1200℃左右,可以在E-5mbar氧气氛围下工作。工作时需要注意避免大幅快速升降温引起PBN覆盖层和石墨层脱离,同时还要注意确保电极良好的电接触,避免接触处过热,损坏电极。



25.PBN和氧化铝的的性能区别和选用标准?

两者都属于我们非常常见的真空内绝缘陶瓷,但是使用环境和条件略有不同,我们需要从两者加工工艺角度来展开讲:
PBN的加工依赖于CVD气相生长,由氨和硼的卤化质反应,在真空环境下,反应蒸汽在模具表面形成层状的生长,一层层的凝结最后形成需要的PBN零件。
请注意PBN要和BN区别开,就在于PBN是热分解后(Pyrolytic)形成的。参见上一问。通过控制生长参数达到指定的厚度后就可以结束生长,并通过脱模把PBN零件和模具分离开。
利用这种工艺生长出来的零件的特点很明显:
纯净度高,因为是真空环境下生长出来的。
厚度可控,可以做到很薄,因为这个本来就是层状沉积出来的,只要控制好生长参数,可以做到很薄,甚至0.1mm(这里不考虑结构强度)。
精度较高,生长的时候实际的氮化硼薄膜紧贴模具,几乎可以认为是模具的外延,因此PBN零件的精度完全取决于模具的精度。而这个模具依赖于机械加工,可以达到很高的精度。

氧化铝的生产就是另一种方式,简单来说,氧化铝部件的生产分成型和烧结两个步骤,它的原始材料是氧化铝粉体,若制造高纯氧化铝陶瓷制品,除氧化铝纯度在99.99%外,还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。为了保证烧结的时候的稳定性,一般原料中还需要加入稳定剂,常见的稳定剂有氧化锆等材料。
在准备好合理的粉体材料后,就可以准备进入成型流程,氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、热压与热等静压成型等多种方法。对于我们在高温超高真空环境的使用部件,一般采用干压成型工艺:氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过1mm,长度与直径之比不大于4∶1的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液压式、机械式两种,可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为200Mpa,产量每分钟可达15~50件。由于液压式压机冲程压力均匀,故在粉料充填有差异时压制件高度不同。而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变化,易导致烧结后尺寸收缩产生差异,影响产品质量。因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要。
将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫烧结。烧结即,将坯体内颗粒间空洞排除,将少量气体及杂质有机物排除,使颗粒之间相互生长结合,形成新的物质的方法。烧成使用的加热装置最广泛使用电炉。除了常压烧结,即无压烧结外,还有热压烧结及热等静压烧结等。连续热压烧结虽然提高产量,但设备和模具费用太高,此外由于属轴向受热,制品长度受到限制。热等静压烧成采用高温高压气体作压力传递介质,具有各向均匀受热之优点,很适合形状复杂制品的烧结。由于结构均匀,材料性能比冷压烧结提高30~50%,比一般热压烧结提高10~15%。因此,目前一些高附加值氧化铝陶瓷产品或国防军工需用的特殊零部件、如陶瓷轴承、反射镜、核燃料及枪管等制品均采用热等静压烧成方法。
由以上的加工工艺,我们可以做一张列表




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