《--新型陶瓷材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《--新型陶瓷材料（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、新型陶瓷材料 （Special Ceramic Materials）,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料的通称。 工业上应用的典型传统陶瓷产品有陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等. 随着现代科技的发展，涌现出许多性能优良的新型陶瓷。新型陶瓷又称精细陶瓷，是40年代以来逐渐发展起来的新型无机材料。近年来由于科学技术的进步和新技术的出现,新型陶瓷材料有了飞速的发展。,国外发展现状状 国际上从20世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料，结构陶瓷略早于功能陶瓷。 6070年代伴随着陶瓷学研究的新进展，一大批具有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。 80年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对
2、陶瓷材料研究与开发的投入，陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）使用的耍求。但材料的稳定性、可靠性和高成本等问题仍阻碍了先进陶瓷材料的应用。,90年代中后期，对陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性能一体化、低成本制备工艺等方面，各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。 在国际学术界，无机非金属材料的重耍性日益突出。很多国际上著名的原金属类杂志易名为材料类杂志，大量刊登先进陶瓷方面的研究论文。 从材料产业上讲，目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市汤销售总额每年达数百亿美元，年增长率达，结构陶瓷占销售额的30左右。,国内发展状况 我国在20世纪70年代开始重视先
3、进陶瓷材料研究，取得了一系列创新性成果。纤维增强陶瓷基复合材料在我国独创性地应用于战略导弹上，被列入定型产品，这是国际上纤维增强陶瓷基复合材料的首次实际应用. 近十年来，我国以发动机用陶瓷零部件的研制为契机,研制成功一系列新的陶瓷材料。氮化硅与碳化硅基陶瓷材料应用于机械密封、金属加工切削和金属冶炼工业中，已投人了批量生产，年产值达千万元。氧化铝、氧化铬基增韧陶瓷部件应用于集成电路基片、光纤连接器关键部件、汽车工业和石油工业等许多领域。,我国在诸多新的研究领域也取得了令人瞩目的进展.如多元氮陶瓷相图的研究在国际上有很高的知名度和相当的影响，多相复合陶瓷概念的提出促成了一大批具有优异综合性能的新材
4、料诞生。不断取得的研究进展又对陶瓷材料制备起到了关键性的推动作用，我国在纳米陶瓷粉体制备与团聚问题研究，以,我国先进陶瓷材料的开发大都是结合我国国防和国民经济上的需要，有自己的技术特色。 然而，纵观我国先进陶瓷领域的发展现状，我们的先进陶瓷材料在各领域内的应用总的来说还仅仅是一个开始。与发达国家相比，我国在研究、技术和产业化,水平等方面都存在明显差距,满足不了国民经济迅速发展的要求。例如在全球数百亿美元的先进陶瓷年销售额中,我国的销售额仅占12。,我国研制的胶态原位凝固成型的各种陶瓷部件,一、陶瓷材料的特点及分类,陶瓷材料的特点 1.陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料的基本相及其结构要比金属复杂得
5、多，它通常由三种不同的相组成,即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(气孔3)。 晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。,玻璃相是非晶态结构的低熔点固体，其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。 气相是在工艺过程中形成并保留下来的，它对陶瓷电及热性能的影响很大。,2.陶瓷材料的结合键 陶瓷材料的结合键为离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（如Si3N4、BN）及离子键和共价键的混合键。形成离子键或共价键主要取决于两原子间的负电性。,3.陶瓷材料的结构特点 陶瓷材料的晶体结构比金属材料要复杂得多，但仍以立方、四方、六方晶系为主。 离
6、子键晶体的配位数取决于离子半径的大小。 对于共价键结合晶体, 配位数符合8-N规则(N是族数)。,4.陶瓷材料的性能特点 由于其结合键为共价键或离子键，因而陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀。还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。对于功能陶瓷还具有电、磁、光等特性。,35%HCl 40,陶瓷的拉伸曲线,5.陶瓷材料的工艺特点 陶瓷是脆性材料，所以大部分陶瓷是通过粉体成型、烧结而得到所需要的形状，即烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，存在的问题是有一定的气孔率。,粉末烧结法制备陶瓷材料,其制备原理为：粉末原料经过成型后，在高温非液相（主晶相为固态
7、）温度下长时间保温，通过原子扩散而粘结，从而形成具有一定密度和强度的制品。,成型方法：模压成型,粉料装入模具内，采用单向或双向加压来压实成粉胚.单向加压底部的密度最小。双向加压可以使密度更均匀些，但工件的中部密度仍然较低。,成型方法：等静压成型,装入密闭容器(包套)内的粉料在压力缸中承受流态介质的高压，整个包套基本上受到均等的压力。加压过程中不加热，称为冷等静压；加压过程中同时加热使工件烧结则称之为热等静压，通常用高纯氩气作为加压介质。经热等静压的工件密度可达到98%以上。,烧结,烧结，是指将陶瓷坯体加热到高温，使其发生一系列物理化学反应，然后冷却至室温，使坯体具有足够的密度、强度和物理化学性
8、能的过程。,决定粉体能否致密化、制品能否烧成的关键是温度和保温时间的选择。温度过高、保温时间过长，导致坯体变形或晶粒粗大；温度过低、保温时间太短，制品密度和强度不足。,陶瓷材料的分类 1、按使用的原材料分 分为传统陶瓷材料和新型陶瓷材料。 传统陶瓷材料主要用天,碳化硅陶瓷密封件,然的岩石、矿石、黏土等含有较多杂质(或杂质不定)的材料作原料。 新型陶瓷材料采用化学方法人工合成高纯度或纯度可控的材料作原料.,2、按性能和应用分 分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。 在工程结构上使用的陶瓷称工程陶瓷，因其主要在高温下使用，又称高温结构陶瓷。工程结构陶瓷有许多种，但目前研究最多、并认为最有发展前途的是氮化
9、硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。 利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材料称功能陶瓷。由于它们具有的物理性能差异往往很大，所以用途很广泛。,二、新型陶瓷材料的特点,与传统陶瓷材料相比，新型陶瓷材料除原料来源不同外，还具有以下特点： 1、材料的组成 新型陶瓷材料的组成已超出传统陶瓷材料的以硅酸盐为主的范围，除氧化物、复合氧化物和含氧酸盐外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质。,2、用途上 由原来主要利用材料所固有的静态物理性状发展到利用各种物理效应和微观现象的功能性,并能在各种极端条件下使用。 3、制备工艺和制品形态 在制备工艺和方法上有了重大革新与改革，制品形态也有很大变化，由过去
10、以块状和粉状,为主向着单晶化、薄膜化、纤维化和复合化方向发展.,三、新型结构陶瓷材料, 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷.,根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。 氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950,。具有良好的电绝缘性能及耐磨,性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).,氮化硅（Si3N4）陶瓷 1、氮化硅的结构 氮化硅是由SiN4四面体组成的共价键固体。它有和两种结构，都是六方晶格。两者不同之处是原子层的垛堆顺序不同。但它们不是同素异构体，两者可在一个很宽的温度区
11、间内同时合成。,2、制备工艺 合成 制造高强和高韧氮化硅制品要求粉末原料的-Si3N4相含量高、粒度细。为避免制品有过多的晶界相而损害高温性能，要求粉末有很高的纯度。 氮化硅粉末主要合成方法有： 工业硅直接氮化：,3Si + 2N2 Si3N4,二氧化硅还原和氮化: 3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO 亚胺硅和氨基硅的热分解: 3Si(NH)2Si3N4+2NH3 3Si(NH 2)4Si3N4+8NH3 卤化硅或硅烷与氨的气相反应: 3SiH4+4NH3Si3N4+12H2 3SiCl 4+16 NH3Si3N4+12NH4Cl 方法是大多数工业上使用氮化硅粉的制备方法，此法获得的粉
12、末价格昂贵且纯度低。方法反应速度比方法快得多，纯度可控，生产工艺不贵，已用于生产高强度氮化硅陶瓷。方法和通常是在需要有相当高纯度的氮化硅薄膜时使用，不能用于大量生产。, 烧结工艺,氮化硅的烧结工艺及特点,氮化硅必须完全致密才能作为优质工程材料使用，因此必须进行烧结才能致密化。 为达到致密, 常加入一定量烧结助剂起充填作用, 常用助剂为MgO和Y2O3。烧结压力低, 所需烧结助剂量大。,Si3N4烧结组织,3、性能特点 强度、比强度、比模量(弹性模量/密度)高 反应烧结Si3N4室温抗弯强度为200MPa, 并可一直保持到12001350。,Si3N4轴承,热压氮化硅气孔率接近于零，其室温抗弯强
13、度可达8001000MPa，其比模量为11.9104 MPa, 而钢仅为2.8104 MPa。, 硬度与耐磨性 氮化硅硬度很高，仅次于金刚石、碳化硼等几种物质,氮化硅的摩擦系数仅为0.10.2，相当于加油润滑的金属表面。, 抗热震性能 所谓抗热震性能是指材料承受温度急剧变化（即热冲击）而不失效的能力(抗热震性R常用式R K/E表示。式中: 为抗拉强度，K为导热率, 为热膨胀系数，E为弹性模量)。 反应烧结氮化硅热膨胀系数仅为2.5310-6/, 其抗热震性大大高于其他陶瓷材料。, 化学稳定性高 除熔融NaOH和HF外，能耐所有无机酸及某些碱溶液腐蚀。 抗氧化温度达1000。分解温度约1900。
14、,H2SO4 60, 良好的电绝缘体 室温电阻率为1.11014cm。 反应烧结氮化硅制品精度极高 烧结时尺寸变化仅为0.10.3%。,用于轴承材料的Si3N4 和钢,4、主要用途 热压烧结氮化硅用于制造形状简单、精度要求不高的零件。如切削刀具、高温轴承等。,反应烧结氮化硅强度、韧性低于热压烧结氮化硅，多用于制造形状复杂、尺寸精度要求高的零件。如泵的机械密封环(比其他陶瓷寿命高67倍)、热电偶套管、泥沙泵零件等。,氮化硅还用于制造1200的涡轮发动机叶片、内燃发动机零件、坩埚、火箭喷嘴、核材料的支架和隔板等。,氮化硅陶瓷转子,碳化硅(SiC)陶瓷 1891年美国人阿奇逊偶然发现了SiC材料。,
15、1、碳化硅的结构 碳化硅有- SiC 和- SiC两,种，是由SiC四面体以不同方式堆垛而成。一种是平行堆积，一种是反平行堆积。- SiC为高温稳定相，呈六方结构，- SiC为低温稳定相，呈立方结构。,SiC结构,(1000)面,2、生产工艺 SiC是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成： SiO2 + 3C SiC + 2CO。,颜色有绿色和黑色, SiC含量愈高颜色愈浅，高纯为无色。 其他还有气凝SiO2碳还原法、气相合成法等 。,由于晶界能和表面能比值很高，加上SiC表面有一层薄氧化膜，因此碳化硅很难烧结。 通常采取一些特殊工艺手段和添加烧结助剂来促进烧结。常加助剂有B、C、
16、Al等。添加B和C可降低晶界能， 用常压烧结或热压烧结即可获得高密度制,品。Al对致密化过程的作用类似于B，但加B容易使晶粒反常长大，而Al却有抑制晶粒长大的作用。,常压烧结碳化硅陶瓷件,除常压烧结和热压烧结外, SiC还可用反应烧结法制造。 这一方法的特点是烧结温度比较低，收缩率几乎为零。反应烧结是用-SiC粉末与石墨粉混合成型后放入盛有硅粉的炉中加热到16001700,使硅蒸汽渗入坯体与碳反应生成- SiC 并将坯体中原有的- SiC 紧密结合在一起。,2、性能特点 碳化硅的最大特点是高温强度高，在1400时抗弯强度仍保持在500 600MPa的较高水平。 碳化硅有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，热传导能力很强，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷。,3、主要用途 由于碳化硅陶瓷具有高温高强度的特点，可用于制造火箭喷嘴、浇注金属用的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承等。 因其良好的耐磨性，可用于制造各种泵的密封圈、拉丝成
