ZrB2基陶瓷材料电学性能及其热电偶元件的研究

摘要

本文以ZrB2基材料为对象,研究了其电学性能,并研究了用ZrB2基材料制备的热电偶在测温过程中的性能,希望能够克服传统接触测温方法测温范围低,非接触测温方法精度低的缺点。
　　目前传统的测温方法存在一些难以克服的问题,使得在更加苛刻和测温精度要求更高的情况下难以满足使用需求。比如传统的电阻式测温方法受到其自身材料熔点低,高温下的氧化腐蚀等的影响,使其难以使用到1000℃以上。热电偶测温方法受到自身材料性质的限制,难以在1600℃温度以上的氧化性气氛中使用。非接触测温方法,具有比接触式测温方法高的多的测温范围(可达3500℃),但其测温精度相对较低。
　　ZrB2材料具有高熔点、高硬度、高稳定性、导热性和对熔融金属和炉渣的良好的抗腐蚀性等优异性能,具有应用于极端环境的潜力。而ZrB2基材料还具有优异的电学性能,有望用作高温热电偶材料。因此希望通过进一步的研究以加深对ZrB2基材料的电学性能的认识,并通过制备热电偶来研究ZrB2基材料在测温时的性能。
　　本文中研究了不同组分的ZrB2基材料的电学性能,系统研究了组分和颗粒大小对其导电率的影响。实验证明:对于ZS10,ZS20,ZS30来说,其电阻率随着其中SiC含量的增加而增大。对于10G,15G,20G来说,其电阻率随着石墨含量的增加而增大,并且随着石墨含量的增加,电阻率温度系数的增大幅度增大。相同的温度下,不同组分材料的电阻率的变化与其中含有的ZrB2的体积分数成反比,电阻率随着ZrB2材料体积分数的增大而减小。材料的电阻率的变化由其中的ZrB2含量来决定的。与微米ZS20材料相比,纳米ZS20材料的电阻率和电阻率温度系数都明显更大。
　　实验中选取了15G和ZS20材料分别作为热电偶的正负极,并对制备的热电偶的热电势温度关系进行了测定。实验结果表明在不同测试次数下,热电偶的热电势温度曲线具有良好的重现性,尤其是在1000℃以上温度区间;同样,在升温和降温过程中的热电势-温度关系也具有良好的重现性。通过氧乙炔加热的方式为热电偶的热端提供了更高的温度,利用这种方法对热电偶在2000℃以下温度进行了温度热电势关系的测试。结果显示,用氧乙炔加热来为热电偶提供热端温度时得到的热电势温度曲线与用马弗炉加热时得到的曲线具有相同的变化趋势。
　　采用热重-差热分析的方法研究了材料在室温到1300℃的范围内ZS20和15G材料随温度的变化情况。对材料在不同温度下的氧化状态进行了分析,研究表明材料形成的氧化膜至少可以在氧化性气氛中保护材料至1600℃。材料氧化后的产物本身不导电,且对未氧化部分材料的电学性能没有影响,因此,最终热电偶的热电性能不会受到材料表面氧化的影响。

目录

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 ZrB2基陶瓷材料研究现状

1.2.1 ZrB2基陶瓷材料制备方法研究现状

1.2.2 ZrB2基陶瓷材料基本性能的研究现状

1.2.3 ZrB2基陶瓷材料电性能研究现状

1.3 温度传感器的研究现状

1.3.1 常用温度传感器

1.3.2 新型温度传感器

1.3.3 ZrB2基陶瓷材料热电偶

1.4 主要研究内容

第2章 ZrB2基陶瓷材料的制备和实验方法

2.1 ZrB2基陶瓷材料的制备

2.1.1 实验原料

2.1.2 材料制备工艺

2.2 分析测试方法

2.2.1 密度和相对密度

2.2.2 扫描电镜观察(SEM)

2.2.3 透射电镜观察(TEM)

2.2.4 差热分析

2.2.5 电导率测试

2.2.6 塞贝克系数的测量

2.2.7 热电势的测量

2.3 本章小结

第3章 ZrB2基陶瓷热电偶材料制备及性能 基

3.1 热电偶材料选择

3.1.1 热电偶材料性能要求

3.1.2 组分优选

3.2 材料制备

3.3 材料性能

3.3.1 材料的密度和致密度

3.3.2 ZrB2基陶瓷材料的电学性能

3.4 本章小结

第4章 高温测量特征参数的测定

4.1 热电偶的测温原理

4.2 热电偶正负极材料塞贝克系数的测定

4.3 热电偶的组装

4.4 热电势与温度关系曲线的测定

4.4.1 1550℃以下的热电势温度关系曲线测定

4.4.2 2000℃以下的热电势温度关系曲线测定

4.5 本章小结

第5章 高温测量环境下硼化锆基陶瓷热电偶材料的微观组织演变

5.1 热电偶材料的热分析

5.1.1 正极15G材料在 0-1300℃下的热重分析和差热分析

5.1.2 负极ZS20材料在 0-1300℃下的热重分析和差热分析

5.2 热电偶材料在不同温度下氧化的表面形貌分析

5.2.1 正极15G材料在不同温度下的表面氧化状态分析

5.2.2 负极ZS20材料在不同温度下的表面氧化状态分析

5.3 热电偶正负极材料氧化后的断口形貌分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢