陶瓷压力传感器

通过激光标定,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带温度补偿0~70℃,并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷压力传感器主要由瓷环、陶瓷膜片和陶瓷盖板三部分组成。陶瓷膜片作为感力弹性体,采用95%的AL2O3瓷精加工而成,要求平整、均匀、质密,其厚度与有效半径视设计量程而定。瓷环采用热压铸工艺高温烧制成型。陶瓷膜片与瓷环之间采用高温玻璃浆料,通过厚膜印刷、热烧成技术烧制在一起,形成周边固支的感力杯状弹性体,即在陶瓷的周边固支部分应形成无蠕变的刚性结构。在陶瓷膜片上表面,即瓷杯底部,用厚膜工艺技术做成传感器的电路。陶瓷盖板下部的圆形凹槽使盖板与膜片之间形成一定间隙,通过限位可防止膜片过载时因过度弯曲而破裂,形成对传感器的抗过载保护。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV,输出信号强,长期稳定性好。高特性,低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势,在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

过程控制、环境控制、液压和气动设备、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。

热喷涂耐高温陶瓷涂层最能体现热喷涂技术特点,应用效果最突出,是影响最大的一个应用领域。

1.热障涂层(TBCs)

燃气轮机的受热部件,如叶片、喷嘴和燃烧室处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1 100 ℃的燃气轮机部件,已超过了镍基高温合金使用的极限温度(1 075 ℃)。有效办法就是涂覆绝热性好的高熔点陶瓷涂层,为高温合金基体穿上"防火铠甲",起绝热屏蔽作用。这称为热障涂层。

热障涂层的基本要求是:

(1) 耐高温;
(2) 抗高温氧化;
(3) 与金属基体结合牢固;
(4) 热导率低,绝热性好;
(5) 热膨胀系数与金属基体匹配好,耐热循环次数高。实践表明,采用MCrAlY合金作粘结底层,喷涂Y2O3部分稳定的ZrO2绝热陶瓷涂层,涂层坚硬、致密,抗高温燃气冲蚀和抗热震性能优异,即使在1 650 ℃高温下长期使用,其热稳定性和化学稳定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能进一步改善涂层的抗热震性能。在使用温度更低一些的情况下,可采用MgO或CaO稳定的ZrO2作热障陶瓷障碍层。

对热障涂层的粘结底层进行预氧化处理,对热障陶瓷涂层进行渗铝处理,对面层陶瓷涂层进行激光重熔改性处理以及发展多层或梯度功能涂层,是热障涂层领域的一些最新发展。

热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件,现正推广应用于民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等领域。

2 可磨耗密封涂层

现代航空发动机采用压气机使空气增压升温,高温压缩空气进入燃烧室使燃料充分燃烧是提高发动机的功率和热效率的主要措施之一。采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层,与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副,在运行过程中能形成理想的径向气流间隙,获得最大的压差,从而显著提高发动机的功率,降低航空汽油的消耗,提高发动机整机一次试车合格率。这是热喷涂技术在航空发动机领域重大的应用成果之一。

随着压缩空气温度的逐级升高,可磨耗密封涂层的使用温度从300 ℃提到1100 ℃,现代可磨耗密封涂层的最高温度已达1350 ℃。AlSi-聚苯脂、镍/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、Y2O3.ZrO2-BN等复合粉末系列材料已获得成功的应用。其中,尤以高温可磨耗密封涂层的工作条件最为恶劣,要承受1 000~1 350 ℃的高温,遭受2~3倍音速的高温气流的冲蚀,受到超过300 m/s线速度的叶片尖部刮削而不会发生剥落。因此,除了必须具备耐高温涂层应有的耐高温、抗氧化、耐热震、呈化学惰性、结合牢固的性能外,其最主要的特点就是质软(通常涂层的表面洛氏硬度在50~80 HR15Y)、多孔(孔隙率约为25%~30%)。

热喷涂可磨耗密封涂层技术可用于压缩机行业的旋转压气部件的间隙控制等民用工业领域。

3 抗高温粘着磨损涂层

退火炉辊、热处理炉炉辊、连铸机拉伸辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子,多在800~1 200 ℃高温下运行。在这样的高温下,钢铁软化并在表面生成氧化铁鳞,同时炉辊的高温硬度也显著降低。当软态的高温钢件特别是钢带在炉辊上运动甚至轻微滑动时,就会因高温粘着而产生结瘤,这种结瘤在剪切力的作用下脱落为磨料,使钢件(带)

表面产生划痕、划伤、犁沟、凹陷等缺陷。这些缺陷在后续的表面光轧辊上往往难以消除,将最终影响热轧钢带的质量。

采用高速燃气火焰喷涂(HVOF)、爆炸喷涂(DGS)或等离子喷涂技术,在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层,具有优异的耐高温、抗氧化、抗粘着、防结瘤和自清理净化性能,既可显著提高炉辊使用寿命,又能生产表面光洁质量优良的钢材,如优质硅钢板、优质汽车薄板和热浸镀薄板等。热轧不锈钢带退火炉炉辊,喷涂含BN的金属陶瓷涂层,其耐高温磨损性能可提高4倍以上。

在日本,钢铁工业应用热喷涂技术的主要对象是各种辊子,热喷涂的辊子占全部热喷涂部件的85%以上,具有极其显著的技术经济效果。如退火炉导辊,过去平均每月停机检修30 min,喷涂后则可保持3年内不检修,并极大地提高了带钢的品质。日本钢铁公司热喷涂退火炉辊的比率,从1982年时的20%上升到1989年的100%,而带钢因结瘤等引起的废次品率则由80%下降到0。

4 抗高温熔融金属或熔体侵蚀涂层

各种金属熔炼用炉衬材料,基本上都是陶瓷耐火材料,这是因为它不仅具有熔点高、高温化学性能稳定等特点,还具有与熔体润湿角小、甚至不润湿的特点。利用这些特性,对在熔池内使用的金属制件如热浸镀槽内的沉没辊、稳定辊,熔池搅拌器、吹管、热电偶套管、热压铸模具等表面,喷涂耐火陶瓷或金属陶瓷涂层,就能获得性能优异的耐高温熔融金属或熔体侵蚀涂层。例如,热浸镀铝槽内的沉没辊和稳定辊,

由于铝液具有极高的化学活性,能与多种金属发生铝热反应形成金属间化合物,被称为金属的"溶剂"。因此,金属合金炉辊在镀铝槽中腐蚀极快,使用寿命仅5~10天。

采用热喷涂特种陶瓷涂层,德国人认为是唯一有效的解决办法,使用寿命可提高到20~30天。

5 抗腐蚀磨损

石油、化工、制药、造纸、印染、冶金、建材、海洋开发、环保等部门使用的许多机械设备,因受到各种化学介质、腐蚀性气体和海水等的作用而被腐蚀,腐蚀产物成为磨粒,与外来微粒或粉尘,或介质生产过程中的结晶晶体一起,都能使相对运动的机械零部件的表面之间既产生腐蚀又产生磨损。磨料使金属表面产生"犁皱"、"划伤"而裸露新生表面使腐蚀加速,腐蚀产物又成为磨粒加速磨损。由于腐蚀和磨损同时起破坏作用,相互促进,更加快了这类机械零部件的过早失效,甚至酿成重大事故。

在腐蚀磨损工况条件下,不锈钢或钛合金的耐蚀性虽好,但不耐磨。

工业上广泛采用镀硬铬,但镀硬铬存在三大缺点:

(1) 工艺流程长,工序多,占地面积大,沉积速率低,难于沉积厚涂层。材料保护990119

(2) 在260 ℃以上,镀铬层会发生软化,耐磨性显著下降。局部无油临界润滑或磨粒划伤都会使镀层出现局部过热而软化,拉成沟槽;

(3) 环境污染。镀铬中产生的几种危害环境的有毒废弃物(如六价铬等)加剧水、土壤和空气的污染。铬的化合物大都含有较强的致癌物质,其毒性比业已在大部分工业上禁止使用的亚甲氯化物还高4个数量级。显然,尽可能取代电镀硬铬技术已成为迫在眉睫的任务。

热喷涂陶瓷涂层和金属陶瓷涂层不仅具有高的硬度,优异的耐蚀性,而且摩擦系数小,能耗低,对密封填料的磨损小,涂层硬度和耐磨性不会因为局部过热而降低。

因此,它在抗腐蚀磨损领域正在成为电镀硬铬技术的最强有力的竞争者和取代者。例如,化工厂用高压往复计量泵柱塞,采用等离子喷涂Al2O3.TiO2复合氧化物陶瓷涂层,其使用寿命比原用镀铬柱塞提高6倍,密封填料的寿命也提高3倍。大型水库、水电站及海洋开发用液压启闭机液压缸的大型活塞杆,采用等离子喷涂陶瓷涂层代替镀硬铬,可以达到高质量、长寿命、免维修,在德国已成为这一领域的先进制造技术,已制造出长16 m、重10 t以上的超大型陶瓷涂覆活塞杆及相应的液压启闭机。大型推土机用液压活塞杆、轧钢机用液压活塞杆、建筑瓷砖压坯用液压机活塞杆、水轮机叶轮轴和磨环、电枢轴头、磨床轴、燃油泵轴、抗咬死轴套、活塞环、凸轮随动件等,在低应力滑动磨损和腐蚀工况下,几乎所有原用镀铬的制品都可以用热喷涂陶瓷或金属陶瓷涂层代替。

6 耐纤维磨损涂层

6.1 耐纺织纤维磨损陶瓷涂层

现代纺织机械特别是化纤机械,向高速、轻质、节能方向发展。纺丝过程中,各种导丝、纺丝部件,为了减轻重量,提高转速和降低能耗,多采用铝合金制造,其表面遭受很细的高速化纤丝(达700~1 000 m/s)的磨损而形成沟槽,更换不仅造成停机损失,而且影响纺丝的质量和等级。

在化纤纺机的导丝部件表面,采用等离子喷涂Al2O3基复合陶瓷涂层,经处理获得"桔皮状"外观形貌,达到Ra约为1.5 μm的表面粗糙度。这种陶瓷涂层的突出特点是:

(1) 具有优异的耐高速纤维磨损的性能,使用寿命比镀铬件提高5倍;

(2) 具有适度的摩擦力,能对纤维施以适度的"捻力",使纤维达到必要的强度和韧度;

(3) 具有适度的表面粗糙度,能使纤维获得必要的"绒度",达到染色性能好,有一定的吸湿性等。

由于陶瓷涂层的这些特点,使化纤机械关键基础零部件的寿命比原用镀铬件提高了5倍,生产达到了一个新的水平。捷克国应用这一技术,使其化纤机械的出口更具竞争性。

6.2耐金属拉丝磨损涂层

金属拉丝工业如钢丝、钢丝绳和电线电缆生产等都使用大量的导丝轮和辊。金属丝在其表面高速滑动并发生冷作硬化,对导轮接触面产生很强的摩擦磨损,以致产生"犁沟"、凹坑等缺陷,造成寿命低,更换维修频繁并影响拉丝质量等弊端。采用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术,在金属拉丝导轮表面喷涂含Wc的硬质合金涂层,具有很高的硬度和耐磨特性,寿命提高5~10倍,获得了很大的成功。

6.3 亲水与介电涂层

现代造纸和印刷机械,尽管运行速度很高,但因负荷轻,故均处于低应力状态,特别适用于热喷涂涂层。

等离子喷涂陶瓷涂层技术,在国外的造纸和印刷机辊子上已成功应用多年,应用面正日益扩大,这是因为陶瓷涂层具有许多特点:高耐磨蚀性;高选择性润湿性、亲水性;高电绝缘与介电性;高防粘性;高可刻蚀性及图纹清晰性;保持适度粗糙度的纸张咬入性等。

例如彩色胶印机水辊喷涂陶瓷涂层,不仅耐磨、耐油墨腐蚀,且经刻蚀后留下的陶瓷涂层部分,由于亲水性好,能在其表面形成一层薄薄的水膜,防止油墨混入,无陶瓷涂层的刻蚀辊面则为油墨覆盖,因而能获得图像清晰的彩色印刷品,不串色。又如塑料薄膜电刻蚀用电晕处理机辊子,需要在1~2×104 V下运行。辊子表面喷涂高介电陶瓷涂层,满足了这一需要。

等离子喷涂陶瓷涂层的表面粗糙度,喷涂约为2~5 μm,磨削后可达Ra 0.13~0.20μm,精研后可达0.03~0.10 μm,可满足不同等级纸张生产的需要。

从以上几个应用领域足见,热喷涂高性能陶瓷涂层具有广阔的市场和巨大的经济效益。

在高新技术领域的应用及潜力展望热喷涂高性能陶瓷涂层技术,正在高科技领域展露头角,它将带动和促进一系列高科技技术的发展和兴起。高温超导体制件具有高临界电阻温度的复合氧化物超导陶瓷材料的发现,是80年代材料领域的重大突破。钇钡铜氧超导陶瓷材料的零电阻温度tc>90 K(高于液氮温度),磁转变温度tB>96 K。

等离子喷涂超导陶瓷涂层独特的优点为:沉积速率高,容易制备厚涂层和大面积涂层,能够喷涂具有复杂形状的超导制件,可直接在大气中喷涂,不需保护气体,是实现超导材料实用化的很有希望的工艺。等离子喷涂钇钡铜氧(YBaCuO)、铋锶钙铜氧(BiSrCaCuO)超导陶瓷涂层都已有应用成功的报道。在磁屏蔽、微波元件、各类传感器、量子电子器件等方面,展示出很好的应用前景。

采用等离子喷涂技术制造溅射用靶材,如用于物理气相沉积(PVD)的钇钡铜氧(YBa2Cu3Ox)靶,能够制造出高性能的超导薄膜,其临界电流密度高达105~106 A/cm2。

6.4 在微电子工业中

金属-陶瓷复合材料是微电子工业基板材料的一种理想材料。在金属板(如科伐合金、铜、铝、钢)上热喷涂绝缘陶瓷涂层,具有高热导率的金属能将强电流所产生的热发散开,而陶瓷涂层则提供很好的介电绝缘性能。以铜板上喷涂Al2O3陶瓷涂层为例,其总热导率比在相同厚度铜板上烧结氧化铝层的总热导率高5倍,这十分有利于集成电路板的散热和提高功率。美国已能喷涂25 mm×25 mm介电陶瓷涂层复合电路板,并达到5×104件的批量生产规模。

6.5 生物医学功能陶瓷涂层

人们生活水平的提高和人类平均寿命延长对人工骨骼的需要日增。以前采用不锈钢或钛合金等金属骨架,镶植入人体内以替换损坏的骨骼,但存在耐体液腐蚀性不足,与肌肉细胞组织不亲合而产生积水等问题。

现代研究表明,构成生物体硬组织的晶体是磷灰石类无机陶瓷材料。

在金属基体上等离子喷涂生物医学功能陶瓷涂层,具有以下特点:
(1) 对生物体无毒,适于体内安全使用;
(2) 对生物体和细胞有良好的适应性和亲和性,不会产生副作用;
(3) 耐人体体液腐蚀;
(4) 耐长期使用过程中的磨损;
(5) 具有人体运动所必须的强度、韧性等力学性能;
(6) 喷涂层的多孔性和粗糙表面有利于生物体组织向人工骨骼表面的生长和亲和。因此,热喷涂金属基生物陶瓷涂层的人工骨骼,是比较理想的人工骨骼材料,已在人体股骨、髋关节、肘关节、骨盆、人造牙齿等方面临床应用试验成功,美国人称为"医学生物功能材料的一场革命。"

热喷涂高性能陶瓷涂层技术,在国外是一项已获得相当广泛应用及效益突出的高新技术,在我国还刚刚起步。诚然,没有"点石成金","泥土变金"的魔方,但采用热喷涂陶瓷涂层技术,以很少的物耗获得高的附加值,开拓巨大的潜在市场,无疑可达到事半功倍的效果。

坚固的陶瓷敏感膜片

零点、满量程激光标定

卓越的抗腐蚀、抗磨损性能

抗冲击、抗震动

高精度、高稳定性

宽的工作温度范围

体积小巧,易封装

最具竞争力的价格

供电电压:5~30VDC

桥臂电阻:11k±20%

量程范围:100kPa~60Mpa

响应时间:<1mS

综合误差(包括:线性、迟滞、重复性):0.2~0.4FS%

零点输出:0±0.2mV/V

满量程输出:2.0~4.8mV/V

温度特性(温补范围:0~70℃):±0.015 %FS/℃

稳定性:<0.2%FSO/年

工作温度:-40~135℃

抗绝缘性:>2kV

0…100kPa

0…200kPa

0…500kPa

0…1Mpa

0…2Mpa

0…5Mpa

0…10Mpa

0…25Mpa

0…40Mpa

0…60Mpa

0…200kPa