《超级陶瓷材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超级陶瓷材料（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划超级陶瓷材料陶瓷材料的超塑性刘文娣齐鲁工业大学材料科学与工程学院材工10-2班山东济南摘要：虽然陶瓷材料在本质上是一种脆性材料；然而研究已表明细晶陶瓷材料具有超塑性，在高温下能产生很大的拉伸形变。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。通过对超塑性晶界滑移微观机理的解释，了解超塑性产生的原因，进而分析一下陶瓷材料的形变特征参数，最后简单介绍纳米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的发展前景。关键词：陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相变超塑性；陶瓷应用引言：陶瓷材
2、料由于具有优良的性能,如高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨、比重小等,因而得到越来越广泛的应用,尤其适合用于在高温、摩擦和腐蚀介质的场合取代金属部件。陶瓷很容易获得细晶结构，而且结构比较稳定，即使在较高的温度时晶粒长大也不是很明显，这显示了陶瓷具有超塑性变形的潜力，但陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性变形，实现超塑性形变要比金属材料困难得多。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。陶瓷的超塑性要求1.试验温度应达到材料熔化温度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常应小于,并在变形过程中保持恒定应变速率较低。相变超塑性：并不要求具有超细晶粒组织，而是在一定的温度和应力条件下
3、，经过多次循环相变或同素异构转变而获得大延伸率。陶瓷材料超塑性变形的结构特征晶界滑动是人们普遍接受的变形机制，从晶界的组织结构出发，可以将晶界滑动分为三种类型：第一，界面结构使晶界上的原子比在晶格内的扩散快得多，这种类型的界面一般来说是大角度晶界；第二种类型，晶界间存在少量液相，如果晶相在液相中有一点溶解度，就可以增强晶间的扩散作用；第三种类型，主要是小角度晶界，推测是晶间位错而产生的超塑性，它具有最大的变形速率，在工艺技术上最有意义。对于受扩散控制的形变过程，高温超塑性形变的特征方程可表达为：bp?AGb()?DkTd?G?.n式中：?为应变速率;A为常数;G为剪切模量;b为伯氏矢量;k为玻
4、尔兹曼常数;T为绝对温度;d为晶粒大小;p为晶粒尺寸指数;?为应力;n为应力指数;D为扩散系数。D?D0exp(?Q/RT)，其中D0.为频率因子;Q为激活能;R为气体常数;n，p和Q是描写形变过程的特征参数。在温度和晶粒尺寸不变的条件下，方程还可进一步简化为:?A?或?B?式中B为常数，m=l/n，称为应变速率敏感性因子。通常当m(或n?3)时，由于流动局部化和颈缩受到有效的抑制，材料才能产生明显的超塑性.。晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的。晶体形变后，表面出现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带，.至于多晶
5、陶瓷，其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不容易产生滑移。滑移时存在一位错宽度滑移机制晶体中已滑移的部分和未滑移部分的分界线是以位错作为表征的。但这种分界并不是有一个鲜明的界线，实际上是一过渡区域，这个过渡区域称为位错的宽度，如图所示。位错之所以有一定宽度，是两种能量平衡的结果。从界面能来看，位错宽度越窄界面能越小，但弹性畸变能很高。反之，位错宽度增加，将集中的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，这样，单位体积内的弹性畸变能减小了
6、。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽度越大，位错就越易运动。陶瓷材料的形变特征参数应力指数n，含有玻璃相时一般为2以下.粗晶粒的n=1，属于纯扩散蠕变，是受晶格扩散控制的晶界滑移。n=2时的晶界滑移，是受界面反应控制的扩散；无玻璃相时为3左右；当晶粒尺寸由微米增加到微米时，应力指数由减为高温下的晶粒生长引起应变硬化，含有玻璃相时使流动应力下降，强化了超塑性流动，最大变形量增加，形变温度下降。活化能涉及到变形机理和离子的扩散过程，一般为500-600KJ/mol。随着晶粒尺寸的增加而下降，例如当及晶粒尺寸有增加到微米时，活化能由580降低为500KJ/mol.。在高温超塑性变形过程
7、中，由于晶界滑移在晶界处产生应力集中，当应力集中超过临界值时，空洞就成核。空洞主要在应力集中最严重的三晶交汇处成核，随应变的增大而长大，并沿着晶界发展，部分空洞连结在一起形成裂纹，成为断裂的起源，降低了材料的力学性能。空洞的产生意味着扩散过程来不及松弛晶界滑移所产生的局部应力集中，限制了断裂前的最大变形量。在受压条件下，晶间脆性的影响不能得到有效的反映，晶间空洞和晶界分离或裂纹受到一定程度的压抑，故所表现出的塑性形变不能严格地体现真正的超塑性行为，只能说明具有高的延展性。严格地说，按传统习惯把超塑性限定为材料具有异常大的拉伸延展性。但是过去有许多试验是在受压条件下进行，而且也应用压缩成形，如锻
8、造、挤压等的超塑性加工，故从实际出发，应把异常大的压缩延展性也认为是超塑性.二纳米陶瓷的结构与超塑性纳米陶瓷的显微结构特征是，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是处于纳米量级的水平。超塑性要求晶粒细小，纳米材料完全符合这一要求，预计纳米陶瓷应该具有很好的超塑性。纳米材料的晶界层所占的体积分数可能接近于晶粒的体积，晶界便具有举足轻重的作用，许多界相的结合时不对称和松散的，容易在外力作用下产生相对位移。纳米陶瓷在高温下具有类似于金属的超塑性。扩散系数比普通材料提高了3个数量级，晶粒尺寸降低了3个数量级，扩散蠕变速率高出1012倍。因此，在较低的温度下，纳米陶瓷材料因其高的扩散蠕变速率可对
9、外力作出迅速反应，造成晶界方向的平移，从而出现超塑性。纳米氧化锆陶瓷在1250下，施加不太大的力就约有400%的形变。三陶瓷材料超塑性的发展前景超塑性陶瓷材料的未来应用既取决于它在变形过程中是否成功，也取决于在长期使用中有没有过早破坏的可能性。迄今为止，已经报道过Al2O3。ZrO2和Al2O3-ZrO2陶瓷的热锻造；把Y-TZP烧结坯料锻至净形和完全致密化，挤压加工Y-TZP，扩散连接Y-TZP/Al2O3复合材料。通过对陶瓷材料超塑性的研究，进而可在一些领域如航天等高新技术领域取代金属或金属合金，推动陶瓷材料更广泛的应用。文献：杨斌张小珍Al2O3陶瓷及其复合材料的超塑性研究中国陶瓷工业X
10、X年4月第13卷第2期胡士廉陶瓷材料的超塑性研究中国科学院上海冶金研究所材料物理与化学博士论文XX年叶建东陈楷陶瓷材料的超塑性无机材料学报1998年03期期刊论文：陶瓷材料超塑性研究进展第18卷第4期无机材料学报超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能摘要结构陶瓷材料具有超强、超硬、耐高温等性能，在许多应用领域有着金属等其它材料不可替代的地。本文通过查阅相关文献，阐述了结构陶瓷材料的结构，综述了结构陶瓷材料的结构及其性能特点,为今后陶瓷的发展提供了可靠的前景。关键词：结构陶瓷，结构性能引言：构陶瓷是陶瓷材料的重要分支，它以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，可以承受
11、金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。即在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要的应用,因此具有超强、超硬、耐高温的结构陶瓷材料成为了人们关注的热点。2.结构陶瓷的定义及分类结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等功能的
12、高性能陶瓷。结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：机械陶瓷；热机陶瓷；生物陶瓷；核陶瓷及其它若按化学成分分类可分为：氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)。本文就从化学成分分析氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复合陶瓷等来分析。氧化物陶瓷Al2O3陶瓷AI2O3陶瓷类型的结构与性能氧化铝陶瓷是一种以-
13、AI2O3为主晶的陶瓷材料。氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”，含量在85%左右称作“85瓷”，含量在99%左右称作“99瓷”。含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。Al2O3主要有三种晶型结构，即-Al2O3，-Al2O3，-Al2O3。Al2O3晶型转化关系如图1所示。-Al2O3属三方晶系，2050熔化前稳定，-Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物，-Al2O3：属尖晶石型结构。后两种在温度高于1600时全部转化为-Al2O3，a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。其结构不同，性质也不同，在1300以上的高温几乎完全转变为-AI2O3。-AI2O3属六方晶系其单位晶胞
14、是一个尖的棱面体，氧离子近似于六方紧密排列，Al3+占据2/3的八面体空隙。-AI2O3是自然界中唯一存在的AI2O3变体，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。-AI2O3是所有AI2O3变体中结构最紧密，活性最低，电学性质最好的晶相，在所有温度下都是稳定的，其它变体当温度达到10001600时都不可能逆地转变为-AI2O3。图1Al2O3晶型转化关系图2-Al2O3结构示意图-Al2O3属立方晶系,尖晶石型结构，氧离子形成立方密堆积，Al3+填充在间隙中。-Al2O3的密度小，且高温下不稳定，加热到11001200时，缓慢转变成-Al2O3，到1450时这一过程才完成。伴随着放热/mol，体积
15、收缩%。由于-Al2O3是松散结构，机电性能差，可以用它来做多孔材料。自然界没有发现-Al2O3，它一般是由含水的Al2O3矿物经加热而成。Al2O3陶瓷的性能及用途1）高强度、高温稳定性：装饰瓷如图4，喷嘴如图3、火箭、导弹的导流罩；图3Al2O3陶瓷喷嘴2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石如图5；图4Al2O3陶瓷装饰瓷图5Al2O3人造宝石3）熔点高、抗腐蚀，耐火材料，坩埚如图6，炉管，热电偶保护套等；图6Al2O3陶瓷坩埚图7太阳能电池4）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料如图7等。5）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节如图8等。6）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座。7）透光、透波性应用：新型节能灯具金卤灯如图9。图8人
