[发明专利]一种高强度、耐高温、抗热冲击的氮化硅陶瓷热刀及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高强度、耐高温、抗热冲击的氮化硅陶瓷热刀及其制备方法和应用，所述氮化硅陶瓷热刀包括氮化硅陶瓷基体、内嵌于所述氮化硅陶瓷基体中的电热丝、以及用于连接电热丝的导线，氮化硅陶瓷热刀通过导线与电源连接。

技术领域

本发明涉及一种高强度、耐高温、抗热冲击的氮化硅陶瓷热刀及其制备方法和应用，属于氮化硅陶瓷领域。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，越来越多的飞行器部件需要在轨进行展开。航天器上的释放装置分为火工装置和非火工装置。其中，非火工装置具有解锁冲击小，无化学污染，可重复使用等诸多优势而日益受到关注。热刀致动的压紧释放装置就是一种典型的非火工装置。

随着人类向太空迈进的脚步的加大，航天器的结构越来越复杂，尺寸也越来越大，这就导致绳索的强度和熔点也越来越高，传统共烧陶瓷电热元件的耐温特性及抗热冲击性等都已较难适应新的使用环境要求，亟需开发新一代陶瓷热刀元件。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高强度、耐高温、抗热冲击的氮化硅陶瓷热刀及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种氮化硅陶瓷热刀，包括氮化硅陶瓷基体、内嵌于所述氮化硅陶瓷基体中的电热丝、以及用于连接电热丝的导线，并通过导线与电源连接。

在本发明中，选用具有高强度、耐高温、抗热冲击、高热导和抗氧化等诸多优良特性的氮化硅作为基板材料，将其与发热丝嵌套复合可作为苛刻环境中的热刀部件使用。此外，还通过后期加工使得发热丝裸露部分台阶以便连接导线，获得Si₃N₄陶瓷热刀元件。

较佳地，所述氮化硅陶瓷热刀的使用温度为室温～1200℃。本发明中，Si₃N₄陶瓷热刀可满足800℃以上高温循环使用，可高达1200℃。

较佳地，所述电热丝为钨丝或铂丝。可根据功率要求选取不同粗细并设计成不同长短和形状。

较佳地，所述氮化硅陶瓷热刀的抗弯强度为600～742MPa，热导率为55.3～73.8W/(m·K)，断裂韧性为5.6～7.4MPa·m^1/2，维氏硬度为14.9～16.8GPa。

较佳地，所述氮化硅陶瓷基体是包括Si₃N₄、MgO和稀土氧化物的起始原料经烧结后得到；优选地，以起始原料质量计为100wt％，所述Si₃N₄占起始原料总质量的80～90wt％，所述MgO和稀土氧化物占起始原料总质量的10～20wt％；更优选地，所述MgO和稀土氧化物的摩尔质量比为5:(1～3)(该摩尔质量比可在保证氮化硅陶瓷致密化的前提下添加最少量的氧化物)。氮化硅陶瓷的热导率与其加入的氧化物烧结助剂的含量密切相关，较高的氧化物含量会导致热导率降低。同时，稀土氧化物的加入有助于从氮化硅晶格中“吸氧”，从而提高热导率。同时，氮化硅陶瓷是一种强共价键化合物，较难致密化。为了促进其致密化，必须加入一定含量的氧化物。因此，合适的MgO和稀土氧化物的比例有利于促进氮化硅陶瓷致密化的同时保持最低的氧化物添加量，提高氮化硅陶瓷的热导率。