一种二氧化锆基陶瓷的用途制造技术

一种二氧化锆基陶瓷的用途，其特征在于，该二氧化锆基陶瓷用于制备小型深冷制冷机中的旋转配气阀的阀芯和阀体，所述的二氧化锆基陶瓷由二氧化锆和二氧化铈组成，其中二氧化锆和二氧化铈的摩尔比为１００∶１２～１７。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二氧化锆基陶瓷的用途，具体地说是涉及一种二氧化锆基陶瓷用于制备小型深冷制冷机中的旋转配气阀的用途。
技术介绍
作为三大结构材料之一的陶瓷，由于其具有较高的强度和刚度、良好的绝热性能和尺寸稳定性、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特点，在航天、核能、电子、化工和医疗等领域有着广泛的应用。但是传统陶瓷强度低，性质松脆，经不起碰撞与冲击，在较大的应力(特别是拉应力)作用下，极易发生脆性断裂，因此无法做成工程构件或工程零件，承受机械载荷的作用，也经不起急冷急热的作用，从而限制了其在工程机械领域的应用。在1975年研制成功的部分稳定氧化锆陶瓷是以ZrO2为基体，添加了部分稀土氧化物的陶瓷，其具有非常高的强度，断裂韧性和抗热冲击性能，因而称之为“陶瓷钢”。在最低温度可达4.2K的小型深冷制冷机中，特别是在G-M型低温制冷机中，如图1的制冷机驱动机构装配图所示，活塞驱动和制冷依靠同一气源，通过同一旋转配气阀控制。该旋转配气阀是驱动机构中的关键部件，其运行的可靠性直接影响到制冷机的寿命和制冷效率，旋转配气阀的结构图如图2所示。因而虽然这种阀的结构简单，但对其的精度要求较高。目前，旋转配气阀一般是由一个钢阀体和一个黑四氟旋转阀芯组成。高压氦气由阀的端部盖板进入，通过阀芯上的左中心孔、进气孔、阀体上与膨胀机气缸连通的内孔道和膨胀气缸进气管道，进入膨胀气缸；当旋转阀的气动管路与高压气源接通时，由阀端进入的高压氦气，经阀芯左中心孔、进气孔、阀体上与气动缸连通的内孔道与气动缸进气管路，进入气动腔。这时，与进气孔相差一定角度的排气孔与气动管路与膨胀缸管路断开。两者之间靠旋转阀芯与阀体的动配合间隙密封，以防串气。当膨胀气缸的气体膨胀制冷时，高压气路切断，旋转阀芯恰好转到低压排气孔与膨胀气缸管路接通的位置。这时，膨胀腔的低压氦气与气动腔的氦气分别通过阀体上与膨胀气缸接通的内孔和与气动缸接通的内孔以及阀芯上的排气孔，阀芯右中心孔进入低速电机定子和转子间的空隙中，冷却电机后，返回氦压机的低压气罐。黑四氟旋转阀芯采用的黑四氟材料虽然低温密封性好，但其热膨胀系数偏大，造成温度变化时，阀芯与阀体的配合公差变化较大，温度高时配合过紧，转动费力，温度低时则高低压串气加大。另外，黑四氟旋转阀芯和钢阀体两种材料热膨胀系数不同，则两者的配合间隙和精度受气温影响较大，因此阀芯与阀体间的密封间隙很容易变大，导致串气加大，旋转阀高低压串气损失约为制冷机气流量的10-20％。在制冷机工作过程中，钢阀体和黑四氟旋转阀芯始终处于旋转摩擦状态，长时间运行后会发生配气腔磨损，不考虑加工误差的情况下，随着工作时间的推移，配气腔被磨损的越来越薄，导致气量减少，将无法满足制冷机工作要求。而实际加工误差的存在使得配气阀受力不均，磨损加剧，配气腔磨损后无法补偿，使串气加重，导致旋转阀运转的可靠性较差，寿命不长，这将直接影响到制冷机的运行可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的旋转配气阀的黑四氟旋转阀芯和钢阀体两种材料热膨胀系数不同，两者的配合间隙和精度受气温影响较大，导致串气损失；长时间运行后，钢阀体和黑四氟旋转阀芯间的旋转摩擦会发生配气腔磨损，可靠性较差，寿命不长，而直接影响到制冷机的运行可靠性；从而提供一种二氧化锆基陶瓷的用途，将二氧化锆基陶瓷用于小型深冷制冷机中的旋转配气阀，使得阀芯和阀体配合间隙和精度受气温影响较小、可靠性好、寿命长。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本专利技术提供一种二氧化锆基陶瓷的用途，其特征在于，该二氧化锆基陶瓷用于制备小型深冷制冷机中的旋转配气阀的阀芯和阀体，所述的二氧化锆基陶瓷由二氧化锆和二氧化铈组成，其中二氧化锆和二氧化铈的摩尔比为100∶12～17。本专利技术将二氧化锆基陶瓷用于制备小型深冷制冷机中的旋转配气阀的阀芯和阀体，这种新型旋转配气阀与现有的旋转配气阀相比，其优益之处在于一方面使用二氧化锆基陶瓷作为旋转阀芯，其比强度远远大于以往使用的聚四氟材料，弥补了由于聚四氟材料耐磨损能力差而导致配气腔越磨越薄以至气量减少的缺陷；另外，阀芯和阀体使用同种高比强度的二氧化锆基陶瓷，阀芯的磨损将远远小于聚四氟材料的磨损，满足了制冷机旋转阀的可靠性要求，很大程度上提高了旋转阀的使用寿命。附图说明图1是G-M低温制冷机的剖面图；图2是图1中A处的局部放大示意图；图3是实施例1的二氧化锆基陶瓷阀芯和阀体制成品的照片。具体实施例方式实施例1在如图1所示的G-M低温制冷机中，进行尺寸分析，使用二氧化锆基陶瓷材料，其中二氧化锆和二氧化铈的摩尔比为100∶12，经过常规的烧结、冷热加工、精密加工等工序，制作旋转配气阀的阀芯和阀体，陶瓷阀芯和阀体制成品的照片如图3所示。将此二氧化锆基陶瓷旋转配气阀与黑四氟旋转阀芯和钢阀体的旋转配气阀运行100小时，其结果列于表1表1、两种旋转配气阀的对比 从表1所示的运行结果可以看出，使用陶瓷组合阀的磨损率和漏气率均比钢/四氟组合阀低，从而推算长期使用时的寿命将提高5倍以上，制冷效率将提高10％以上。实施例2在如图1所示的G-M低温制冷机中，进行尺寸分析，使用二氧化锆基陶瓷材料，其中二氧化锆和二氧化铈的摩尔比为100∶15，经过常规的烧结、冷热加工、精密加工等工序，制作旋转配气阀的阀芯和阀体。实施例3在如图1所示的G-M低温制冷机中，进行尺寸分析，使用二氧化锆基陶瓷材料，其中二氧化锆和二氧化铈的摩尔比为100∶17，经过常规的烧结、冷热加工、精密加工等工序，制作旋转配气阀的阀芯和阀体。将本专利技术提供的二氧化锆基陶瓷的旋转配气阀与目前在G-M制冷机中普遍使用的旋转配气阀的材料在力学、热力性质作对比，列于表2。表2、二氧化锆基陶瓷材料与各种常用的工程材料在77K下热学与力学性能对比 由表2可以看出在G-M制冷机中最普遍使用的不锈钢材料，其在低温时的热导率比较高，因而有绝热性能差的缺陷；聚四氟乙烯材料尽管热导率低，但是其冷收缩率比(热膨胀系数)比金属大得多，抗磨损能力差；尼龙材料虽然热导率低，但耐磨损能力差，而且热膨胀具有各向异性之缺点，很难实现好的间隙配合；玻璃钢的韧性不高，容易破碎，也不是适用于做旋转配气阀材料。而本专利技术提供的二氧化锆基陶瓷旋转配气阀使用的二氧化锆基陶瓷在强度、韧性、热导率及热膨胀系数方面的综合性能优于上述的几种材料，因而二氧化锆基陶瓷旋转配气阀优于传统的旋转配气阀。一方面新型的陶瓷材料其比强度远远大于传统的聚四氟材料，弥补了由于四氟材料耐磨损能力差而导致配气腔越磨越薄以至气量减小的缺陷；阀芯和阀体使用同种高比强度的陶瓷材料，阀芯的磨损将远远小于聚四氟材料的磨损，另一方面，ZrO2基陶瓷自润滑性能良好，气密性也优于传统材料，满足了制冷机旋转阀的可靠性要求，很大程度上提高了旋转阀的使用寿命。权利要求1.一种二氧化锆基陶瓷的用途，其特征在于，该二氧化锆基陶瓷用于制备小型深冷制冷机中的旋转配气阀的阀芯和阀体，所述的二氧化锆基陶瓷由二氧化锆和二氧化铈组成，其中二氧化锆和二氧化铈的摩尔比为100∶12～17。全文摘要本专利技术涉及一种二氧化锆基陶瓷的用途，该二氧化锆基陶瓷用于制备小型深冷制冷机中的旋转配气阀的阀芯和阀体，所述的二氧化锆基陶瓷由二氧化锆和二氧化铈组成，其中二氧化锆和二氧化铈的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李来风，苏小陶，陆文海，龚领会，方志春，张亮，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：