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1、陶瓷材料,(Ceramic Materials),2,工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等,是黏土、石英、长石等硅酸盐类材料制作而成。 现代陶瓷材料的原料已不再是单纯的天然矿物材料,而是扩大到人工化合物,如Al2O3、SiO2、ZrO2等。,3,随着现代科技的发展,出现了许多性能优良的新型陶瓷。,4,一、陶瓷材料的分类,1. 按化学成分分类,氧化物陶瓷:Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2 碳化物陶瓷:SiC、B4C、WC、TiC 氮化物陶瓷:Si3N4、AlN、TiN、BN 新型氮化物陶瓷:C3N4 硼化物陶瓷:TiB2、Zr
2、B2,5,复合瓷:3Al2O32SiO2(莫来石)、MgAl2O3(尖晶石)、CaSiO3、ZrSiO4、BaTiO3、PbZrTiO3、BaZrO3、CaTiO3 金属陶瓷和纤维增强陶瓷(均属复合材料),6,普通陶瓷:以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。 特种陶瓷:采用人工合成的材料作原料。,2. 按使用的原材料分类,7,3. 按用途分类,4. 按性能分类,日用陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷,高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷等。,8,二、陶瓷材料的特点,1. 陶瓷材料的相组成特点,陶瓷材料通常由三种不同的相组成,即晶相(1)、玻璃相(2
3、)和气相(3)(气孔),其显微结构是由原料、组成和制造工艺所决定的。,9,晶相是陶瓷材料的主要组成相,并且决定陶瓷材料物理化学性质的主要也是晶相。 晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。 硅酸盐的基本结构是硅氧四面体(SiO4),构成不同结构的硅酸盐。 大多数氧化物的结构是氧离子密堆的立方和六方结构,金属离子位于其八面体或四面体间隙中。,10,玻璃相是一种低熔点的非晶态固相,作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。 玻璃相的组成随着坯料组成、分散度、烧结时间以及炉(窑)内气氛的不同而变化。 玻璃相会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性,故陶瓷中玻璃相的体积分数
4、一般为2040%。,11,气相(气孔)是指陶瓷孔隙中的气体,是在工艺过程中形成并保留下来的。 陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响,气孔会降低陶瓷的强度,增大介电损耗,降低绝缘性,降低致密度,提高绝热性和抗振性;对功能陶瓷的光、电、磁等性能也会产生影响。 普通陶瓷的气孔率为体积的510%,特种陶瓷和功能陶瓷为5%以下。,12,2. 陶瓷材料的结合键特点,陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等,因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。,13,3. 陶瓷材料的力学性能特点,高硬度,一般为10005000HV,而淬火钢为500800HV,因
5、而具有优良的耐磨性。 弹性模量高,刚度大,是各种材料中最高的。 抗拉强度很低,抗弯强度稍高,抗压强度很高,一般比抗拉强度高10倍。 塑性、韧性低,脆性大,在室温下几乎没有塑性。,14,3. 陶瓷材料的物理化学性能特点,熔点很高,大多在2000以上,具有很高的耐热性。 线膨胀系数小,导热性和抗热振性都较差,受热冲击时容易破裂。 化学稳定性高,抗氧化性优良,对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性。 有各种电学性能,大多数陶瓷具有高电阻率,少数陶瓷具有半导体性质。 许多陶瓷具有特殊的性能,如光学性能、电磁性能。,15,4. 陶瓷材料的工艺特点,陶瓷是脆性材料,大部分陶瓷是通过粉体成形和高温烧结来成形的,因此
6、陶瓷是烧结体。,(1)坯料制备 (2)成形(可塑法、注浆法、压制法) (3)烧结,16,Al2O3粉末的烧结组织,ZrO2陶瓷中的气孔,烧结体也是晶粒的聚集体,有晶粒和晶界,所存在的问题是其存在一定的气孔率。,17,三、常用陶瓷材料,(一)普通陶瓷,普通陶瓷是用黏土(Al2O32SiO22H2O)、长石(K2OAl2O36SiO2,Na2OAl2O36SiO2)和石英(SiO2)为原料,经成形、烧结而成的陶瓷。 组织中主晶相为莫来石(3Al2O32SiO2),占2530%,玻璃相占3560%,气相占13%。 这类陶瓷质地坚硬、不氧化、耐腐蚀、不导电、加工成形性好、成本低,但强度较低,耐热性及绝
7、缘性不如特种陶瓷。,18,包括日用器皿和瓷器。 一般具有良好的光泽度、透明度,热稳定性和机械强度较高。,1. 普通日用陶瓷,19,2. 普通工业陶瓷,改善工业陶瓷性能的方法:,加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等,增加莫来石晶体相,提高机械强度和耐碱抗力。 加入Al2O3、ZrO2等,提高强度和热稳定性。 加入滑石或镁砂,降低热膨胀系数。 加入SiC,提高导热性和强度。,20,用于装饰板、卫生间装置及器具等,通常尺寸较大,要求强度和热稳定性好。,(1)建筑卫生瓷,21,用于化学、石油化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿等。 通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强。,
8、(2)化学化工瓷,22,主要指电器绝缘用瓷,也叫高压陶瓷,主要用于制作隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。 要求机械性能高、介电性能和热稳定性好。,(3)电工瓷,绝缘子,23,(二)特种陶瓷,特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类,如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。,24,1. 氧化铝陶瓷,氧化铝的结构是O2排成密排六方结构,Al3+占据间隙位置。,25,氧化铝陶瓷成分:Al2O3 + 少量SiO2,实际生产中,根据Al2O3含量不同,氧化铝陶瓷可分为75瓷(含75%Al2O3,又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷等几种,后两者又称刚玉瓷。,26
9、,氧化铝熔点达2050,耐高温性能好,可使用到1950,1600高温下长期工作。 广泛用于耐火材料:耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管。,氧化铝热电偶套管,氧化铝耐高温喷嘴,27,氧化铝陶瓷坩埚,28,氧化铝陶瓷的硬度高,耐磨性很好;具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能,在高频下的电绝缘性能尤为突出;因此用途极为广泛。,氧化铝陶瓷转心球阀,Al2O3化工、耐磨陶瓷配件,29,95瓷纺织件,99瓷纺织件,氧化铝陶瓷密封环,30,硬度极高,红硬性达1200,可作切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。 很高的电阻率和低的导热率,是很好的电绝缘材料和绝热材料。 强度和耐热强度均较高(是普通陶瓷的5倍),是很
10、好的高温结构材料,如可作内燃机火花塞、空压机泵零件等。,微晶氧化铝(微晶刚玉),31,2. 氧化锆陶瓷,晶型转变:立方相 四方相 单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速,引起很大的体积变化,易使制品开裂。,32,在氧化锆中加入某些氧化物如CaO、MgO、Y2O3等能形成稳定立方固溶体,不再发生相变,具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ),其力学性能低,抗热冲击性差。 减少加入的氧化物数量,使部分氧化物以四方相的形式存在,由于这种材料只使一部分氧化锆稳定,所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。,33,部分稳定氧化锆组织,34,氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。 当受到外力作用时,这
11、种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛,增加裂纹扩展阻力,从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。,35,部分稳定氧化锆的导热率低,绝热性好。 热膨胀系数大,接近于发动机中使用的金属。 抗弯强度与断裂韧性高。,除在常温下使用外,已成为绝热柴油机的主要侯选材料,如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。,36,氧化锆油泵,氧化锆柱塞,氧化锆拉线轮,部分稳定氧化锆喷涂层,37,氧化锆陶瓷耐火件,氧化锆球阀,增韧氧化锆导轮芯轴,38,3. 氮化硅(Si3N4)陶瓷,氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。,39,(1)氮化硅的制备,工业硅直接氮化: 3Si + 2N2 Si3N4 二氧化硅还原
12、氮化: 3SiO2 + 6C + 2N2 Si3N4 + 6CO,40,(2)性能特点,硬度仅次于金刚石、碳化硼等。 摩擦系数小,仅为0.10.2。 耐磨性好。 抗热振性大大高于其它陶瓷。 化学稳定性高,能耐除氢氟酸、NaOH外的其他酸和碱性溶液的腐蚀,以及抗熔融金属的侵蚀。 绝缘性能优良。,41,(3)氮化硅的烧结工艺,反应烧结:优点是烧结时几乎没有收缩,能得到复杂的形状;缺点是密度低,强度低,耐蚀性差。 热压烧结:优点是用较少的助剂就能致密化,强度、耐蚀性最好;缺点是只能制造简单形状,烧结助剂使高温强度降低。,42,热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件,如切削刀具、高温轴承等。,
13、43,汽轮机转子,叶片气阀等零件,反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件,如机械密封环等。,44,4. 碳化硅(SiC)陶瓷,碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成:SiO2 + 3C SiC + 2CO。 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。 由于碳化硅表面有一层薄氧化膜,因此很难烧结,需添加烧结助剂促进烧结,常加的助剂有硼、碳、铝等。,45,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500600MPa,工作温度可达1700。 有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性,良好的导热性、耐辐射性。,46,用途:碳化硅陶瓷主要用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承,泵的密封圈、拉丝成型模具等。,47,SiC轴承,SiC密封件,