專利名稱：一種二氧化鋯基陶瓷的用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種二氧化鋯基陶瓷的用途，具體地說是涉及一種二氧化鋯基陶瓷用于制備小型深冷制冷機中的旋轉配氣閥的用途。
背景技術：
作為三大結構材料之一的陶瓷，由于其具有較高的強度和剛度、良好的絕熱性能和尺寸穩定性、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等特點，在航天、核能、電子、化工和醫療等領域有著廣泛的應用。但是傳統陶瓷強度低，性質松脆，經不起碰撞與沖擊，在較大的應力(特別是拉應力)作用下，極易發生脆性斷裂，因此無法做成工程構件或工程零件，承受機械載荷的作用，也經不起急冷急熱的作用，從而限制了其在工程機械領域的應用。在1975年研制成功的部分穩定氧化鋯陶瓷是以ZrO2為基體，添加了部分稀土氧化物的陶瓷，其具有非常高的強度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能，因而稱之為“陶瓷鋼”。
在最低溫度可達4.2K的小型深冷制冷機中，特別是在G-M型低溫制冷機中，如圖1的制冷機驅動機構裝配圖所示，活塞驅動和制冷依靠同一氣源，通過同一旋轉配氣閥控制。該旋轉配氣閥是驅動機構中的關鍵部件，其運行的可靠性直接影響到制冷機的壽命和制冷效率，旋轉配氣閥的結構圖如圖2所示。因而雖然這種閥的結構簡單，但對其的精度要求較高。
目前，旋轉配氣閥一般是由一個鋼閥體和一個黑四氟旋轉閥芯組成。高壓氦氣由閥的端部蓋板進入，通過閥芯上的左中心孔、進氣孔、閥體上與膨脹機氣缸連通的內孔道和膨脹氣缸進氣管道，進入膨脹氣缸；當旋轉閥的氣動管路與高壓氣源接通時，由閥端進入的高壓氦氣，經閥芯左中心孔、進氣孔、閥體上與氣動缸連通的內孔道與氣動缸進氣管路，進入氣動腔。這時，與進氣孔相差一定角度的排氣孔與氣動管路與膨脹缸管路斷開。兩者之間靠旋轉閥芯與閥體的動配合間隙密封，以防串氣。當膨脹氣缸的氣體膨脹制冷時，高壓氣路切斷，旋轉閥芯恰好轉到低壓排氣孔與膨脹氣缸管路接通的位置。這時，膨脹腔的低壓氦氣與氣動腔的氦氣分別通過閥體上與膨脹氣缸接通的內孔和與氣動缸接通的內孔以及閥芯上的排氣孔，閥芯右中心孔進入低速電機定子和轉子間的空隙中，冷卻電機后，返回氦壓機的低壓氣罐。
黑四氟旋轉閥芯采用的黑四氟材料雖然低溫密封性好，但其熱膨脹系數偏大，造成溫度變化時，閥芯與閥體的配合公差變化較大，溫度高時配合過緊，轉動費力，溫度低時則高低壓串氣加大。另外，黑四氟旋轉閥芯和鋼閥體兩種材料熱膨脹系數不同，則兩者的配合間隙和精度受氣溫影響較大，因此閥芯與閥體間的密封間隙很容易變大，導致串氣加大，旋轉閥高低壓串氣損失約為制冷機氣流量的10-20％。在制冷機工作過程中，鋼閥體和黑四氟旋轉閥芯始終處于旋轉摩擦狀態，長時間運行后會發生配氣腔磨損，不考慮加工誤差的情況下，隨著工作時間的推移，配氣腔被磨損的越來越薄，導致氣量減少，將無法滿足制冷機工作要求。而實際加工誤差的存在使得配氣閥受力不均，磨損加劇，配氣腔磨損后無法補償，使串氣加重，導致旋轉閥運轉的可靠性較差，壽命不長，這將直接影響到制冷機的運行可靠性。
發明內容
本發明的目的在于克服現有的旋轉配氣閥的黑四氟旋轉閥芯和鋼閥體兩種材料熱膨脹系數不同，兩者的配合間隙和精度受氣溫影響較大，導致串氣損失；長時間運行后，鋼閥體和黑四氟旋轉閥芯間的旋轉摩擦會發生配氣腔磨損，可靠性較差，壽命不長，而直接影響到制冷機的運行可靠性；從而提供一種二氧化鋯基陶瓷的用途，將二氧化鋯基陶瓷用于小型深冷制冷機中的旋轉配氣閥，使得閥芯和閥體配合間隙和精度受氣溫影響較小、可靠性好、壽命長。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的本發明提供一種二氧化鋯基陶瓷的用途，其特征在于，該二氧化鋯基陶瓷用于制備小型深冷制冷機中的旋轉配氣閥的閥芯和閥體，所述的二氧化鋯基陶瓷由二氧化鋯和二氧化鈰組成，其中二氧化鋯和二氧化鈰的摩爾比為100∶12～17。
本發明將二氧化鋯基陶瓷用于制備小型深冷制冷機中的旋轉配氣閥的閥芯和閥體，這種新型旋轉配氣閥與現有的旋轉配氣閥相比，其優益之處在于一方面使用二氧化鋯基陶瓷作為旋轉閥芯，其比強度遠遠大于以往使用的聚四氟材料，彌補了由于聚四氟材料耐磨損能力差而導致配氣腔越磨越薄以至氣量減少的缺陷；另外，閥芯和閥體使用同種高比強度的二氧化鋯基陶瓷，閥芯的磨損將遠遠小于聚四氟材料的磨損，滿足了制冷機旋轉閥的可靠性要求，很大程度上提高了旋轉閥的使用壽命。
圖1是G-M低溫制冷機的剖面圖；圖2是圖1中A處的局部放大示意圖；圖3是實施例1的二氧化鋯基陶瓷閥芯和閥體制成品的照片。
具體實施例方式
實施例1在如圖1所示的G-M低溫制冷機中，進行尺寸分析，使用二氧化鋯基陶瓷材料，其中二氧化鋯和二氧化鈰的摩爾比為100∶12，經過常規的燒結、冷熱加工、精密加工等工序，制作旋轉配氣閥的閥芯和閥體，陶瓷閥芯和閥體制成品的照片如圖3所示。
將此二氧化鋯基陶瓷旋轉配氣閥與黑四氟旋轉閥芯和鋼閥體的旋轉配氣閥運行100小時，其結果列于表1表1、兩種旋轉配氣閥的對比
從表1所示的運行結果可以看出，使用陶瓷組合閥的磨損率和漏氣率均比鋼/四氟組合閥低，從而推算長期使用時的壽命將提高5倍以上，制冷效率將提高10％以上。
實施例2在如圖1所示的G-M低溫制冷機中，進行尺寸分析，使用二氧化鋯基陶瓷材料，其中二氧化鋯和二氧化鈰的摩爾比為100∶15，經過常規的燒結、冷熱加工、精密加工等工序，制作旋轉配氣閥的閥芯和閥體。
實施例3在如圖1所示的G-M低溫制冷機中，進行尺寸分析，使用二氧化鋯基陶瓷材料，其中二氧化鋯和二氧化鈰的摩爾比為100∶17，經過常規的燒結、冷熱加工、精密加工等工序，制作旋轉配氣閥的閥芯和閥體。
將本發明提供的二氧化鋯基陶瓷的旋轉配氣閥與目前在G-M制冷機中普遍使用的旋轉配氣閥的材料在力學、熱力性質作對比，列于表2。
表2、二氧化鋯基陶瓷材料與各種常用的工程材料在77K下熱學與力學性能對比
由表2可以看出在G-M制冷機中最普遍使用的不銹鋼材料，其在低溫時的熱導率比較高，因而有絕熱性能差的缺陷；聚四氟乙烯材料盡管熱導率低，但是其冷收縮率比(熱膨脹系數)比金屬大得多，抗磨損能力差；尼龍材料雖然熱導率低，但耐磨損能力差，而且熱膨脹具有各向異性之缺點，很難實現好的間隙配合；玻璃鋼的韌性不高，容易破碎，也不是適用于做旋轉配氣閥材料。
而本發明提供的二氧化鋯基陶瓷旋轉配氣閥使用的二氧化鋯基陶瓷在強度、韌性、熱導率及熱膨脹系數方面的綜合性能優于上述的幾種材料，因而二氧化鋯基陶瓷旋轉配氣閥優于傳統的旋轉配氣閥。一方面新型的陶瓷材料其比強度遠遠大于傳統的聚四氟材料，彌補了由于四氟材料耐磨損能力差而導致配氣腔越磨越薄以至氣量減小的缺陷；閥芯和閥體使用同種高比強度的陶瓷材料，閥芯的磨損將遠遠小于聚四氟材料的磨損，另一方面，ZrO2基陶瓷自潤滑性能良好，氣密性也優于傳統材料，滿足了制冷機旋轉閥的可靠性要求，很大程度上提高了旋轉閥的使用壽命。
權利要求
1.一種二氧化鋯基陶瓷的用途，其特征在于，該二氧化鋯基陶瓷用于制備小型深冷制冷機中的旋轉配氣閥的閥芯和閥體，所述的二氧化鋯基陶瓷由二氧化鋯和二氧化鈰組成，其中二氧化鋯和二氧化鈰的摩爾比為100∶12～17。
全文摘要
本發明涉及一種二氧化鋯基陶瓷的用途，該二氧化鋯基陶瓷用于制備小型深冷制冷機中的旋轉配氣閥的閥芯和閥體，所述的二氧化鋯基陶瓷由二氧化鋯和二氧化鈰組成，其中二氧化鋯和二氧化鈰的摩爾比為100∶12～17。本發明的新型旋轉配氣閥與現有的旋轉配氣閥相比，其優益之處在于一方面使用二氧化鋯基陶瓷作為旋轉閥芯，其比強度遠遠大于以往使用的聚四氟材料，彌補了由于聚四氟材料耐磨損能力差而導致配氣腔越磨越薄以至氣量減少的缺陷；另外，閥芯和閥體使用同種高比強度的陶瓷材料，閥芯的磨損將遠遠小于聚四氟材料的磨損，滿足了制冷機旋轉閥的可靠性要求，很大程度上提高了旋轉閥的使用壽命。
文檔編號C04B35/48GK1601154SQ0316005
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月26日 優先權日2003年9月26日
發明者李來風, 蘇小陶, 陸文海, 龔領會, 方志春, 張亮 申請人:中國科學院理化技術研究所