常被用於電熱元件中的結構陶瓷材料——二矽化鉬

01 二矽化鉬材料

二矽化鉬（MoSi2）的晶體為四方結構，是Mo-Si二元合金系中含矽量最高的一種中間相，是成分固定的道爾頓金屬間化合物，灰色，有金屬光澤。具有良好的導電性和導熱性，力學效能和高溫抗氧化效能都十分優異，可用作發熱元件，效能超過碳化矽。其早期的應用就是作為金屬基體表面耐高溫抗腐蝕的塗層保護材料，最開始應用於燃氣輪機零部件、噴氣發動機燃燒室及導彈燃燒室的塗層。如今，二矽化鉬材料主要的工業產品應用是在製作高溫發熱元件和熱電偶保護管上。

02 二矽化鉬材料的特性

①結晶學性質

：屬四方晶體結構，密度為5。9-6。3g/cm。純二矽化鉬在達到熔點前無相變，熱穩定性好，在其有效使用溫度範圍上限內，溫度的上升與下降不會因發生結晶學性質的變化而破壞。

②熱力學性質

：熔點高達2030℃，導熱率較高（與SiO相近），熱膨脹係數小，這些特性是製作高溫發熱元件或熱電偶保護管的必備條件，並且有利於增加其製品的抗熱震效能。

③電磁性質

：電阻率低（2×10-5Ω·cm），電率高，屬於良導體。該材質是製造發熱元件、熱電偶熱電極和測溫保護管的優良材料（作熱電偶保護管時需注意絕緣）。

④機械性質

：抗拉強度、彎曲強度不低於一般金屬材料和部分氧化物材料（如Al2O3），硬度和抗壓強度還比金屬高。與金屬相比最大的缺點在於衝擊韌性差，所以同一般陶瓷製品一樣屬於脆性材料。因此實際生產過程中在不影響自身高溫抗氧化效能的條件下新增少量金屬結合劑，製成金屬陶瓷。

⑤化學性質

：化學態為酸性，常溫下與絕大多數的酸鹼都是不溶的，除氧化物陶瓷之外，MoSi2是所有難熔化合物中抗氧化穩定性最高的一種。由於矽在鉬中的溶解度為1%左右（1800℃），即決定了MoSi2的氧化穩定性溫度在1700℃以下。

二矽化鉬自身並不抗高溫氧化，而是在1300~1600℃時，其表面形成一層薄而緻密的二氧化矽玻璃態保護層而抑制繼續氧化。MoSi2不僅在氧化性介質中穩定，同時還可在還原性、中性、惰性以及一些強腐蝕氣氛中使用到相當高的溫度。如在N2、CO2和SO2等介質中最高使用溫度可達1600℃。

03 二矽化鉬的製取

二矽化鉬可以透過Mo粉與Si粉直接反應合成而獲得。或利用Mo的氧化物還原反應合成。

二矽化鉬製件可以用冷壓燒結或熱壓法制得。如用模壓法成形時，可用麵糊、澱粉、甘油等作粘結劑。用擠壓法成形時，加入2%~4%的糊精做粘結劑。MoSi2製品在1500~1900℃燒成。如果在二矽化鉬粉料中加入少量的SiO2，則由於高溫下SiO2熔化會在二矽化鉬製品表面形成一層保護膜，使二矽化鉬的工作溫度提高到1710~1780℃。冷壓燒結制品力學效能較差。熱壓時，溫度為1550~1750℃，壓力9。8~78。5MPa。用二矽化鉬和氧化鋁混合物來熱壓，可以得到不同效能的二矽化鉬製品。

04 二矽化鉬的應用

目前，工業生產量最大、用途最廣的矽化物製品是二矽化鉬，其主要產品為高溫發熱元件和熱電偶保護管。

①應用到電熱元件中

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二矽化鉬發熱元件在氧化性氣氛中雖然能長期使用到1700℃，由於散熱等因素致使用該發熱元件裝配的箱式電阻爐及工業用隧道窯的爐膛溫度一般僅為1600℃左右。二矽化鉬棒狀“U”發熱元件電阻爐的用途極其廣泛，目前仍居該類材料加熱元件之首。

圖1。二矽化鉬電熱元件via網路

②應用到熱電偶保護管中

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二矽化鉬基熱電偶保護管具有耐高溫、抗腐蝕、氣密性好、耐熱衝擊、使用壽命長等優良特性。該保護管在我國化肥 工業的高、中、低壓重油氣化爐的測溫中獲得了較好應用，因其替代了日本進口而價格昂貴的99。95%氧化鋁剛玉管而為國家節約不少外匯。另外，用該管經特種裝配而成、並能用於大氣測溫的鎢錸電偶在冶金等行業測溫中也得到了較好的應用，以價廉的鎢錸熱電偶絲替代貴金屬熱電偶絲則價格便宜了以備以上，故為使用者節約了測溫費用。除以上示例外，二矽化鉬保護管還在石油化工、煤化工、碳黑、水泥及機械等行業的高溫強腐蝕裝置的測溫中獲得了廣泛應用。

③應用到感測器中

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1986年3月，美國加利福尼亞大學材料科學工程系研製成功“用於渦輪機引擎的矽化鉬薄膜電位式溫度感測器”。據報導，二矽化鉬溫度感測器體積小、能長期用於1200℃溫度測量。由於感測器元件內的二矽化鉬層只有3-10μm厚，致使其電阻率（室溫350μΩ·㎝）大於理論值約2個數量級，電阻溫度係數為11。95×10-3K。該溫度感測器具有貴金屬厚膜電阻溫度感測器的同樣功能，而工作上限溫度高於它的一倍是其突出特點。