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1、结构陶瓷,绪论,定义,各种结构部件，以发挥机械、热、化学和生物等功能的高性能陶瓷。 因结构陶瓷常在高温下使用，故也称高温结构陶瓷或工程陶瓷。,结构陶瓷主要是指用于,特点,在高温下的强度和硬度高，蠕变小，能抵抗氧和其他化学物质的侵蚀，并有较高的断裂韧性和耐磨损性，其耐机械振动和温度激变的能力也员较一般陶瓷优越。,分类,结构陶瓷种类较多，按原料分类，分为以下几大系列： 1、氧化物陶瓷，主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷等； 2、氮化物陶瓷，主要有氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷等； 3、碳化物陶瓷，主要有碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷等； 4、硼化物陶瓷，主要有硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等
2、。,分类,根据使用条件不同，高温结构陶瓷大致可分为两类： 在大热流和1500以上高温下短时间(几秒到几十分钟）使用的材料，主要用于空间和军事技术，其功效是经受一次或多次热流冲击，保护整体结构不受破坏，例如洲际导弹端头帽、回收人造卫星前缘、火箭发动机尾喷管、航天飞机外蒙皮等。 在中等热流和1200以上的高温下长时间（几百到几千小时）使用的材料，主要用于新能源技术和现代化工业生产，其功效是提高热效率，提高能源利用率和改善环境质量，例如燃气轮机、绝热柴油机饿斯特林发动机等新型热机热流通道的受热部件包括燃烧室、热交换器、涡轮叶片、增压器转子、活塞帽、气缸套和阀门等。,做高温结构陶瓷最流行也是最有前途的
3、是氮化硅、碳化硅、氧化铝、二氧化锆和氧化铝氧化硅等材料。 采用反应烧结法、热压法、常压和高压烧结法生产这些材料。,发展现状,工程结构陶瓷是陶瓷材料的重要分支，它以耐高温、高强度、耐磨损、超硬度、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征“广泛应用于机械、电子、航空航天、生物工程领域，约占整个陶瓷市场的25%。 自上世80 年代中期发展起来的纳米级工程陶瓷材料，是纳米科学技术的重要组成部分，已成为目前材料科学研究的一个热点。纳米陶瓷从根本上改变了传统陶瓷的结构，使陶瓷材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高， 如纳米陶瓷在高温下具有类似于金属的超塑性， 纳米级Si3N4 陶瓷在1300下即可产生200%以上的形变
4、CaF2 纳米材料在室温下可大幅度弯曲而不断裂；不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出45倍。这为克服陶瓷材料研究领域中长期未能解决的问题（如陶瓷的韧性、脆性、塑性等）开辟了新的途径，有着极大的应用前景。,发展趋势,高性能结构陶瓷有如下三个发展趋势： 单相陶瓷向多相复合陶瓷发展 当前结构陶瓷的研究与来发已从原先倾向于单相和高纯的特点向多相复合的方向发展。其中包括纤维（或晶须）补强的陶瓷基复合材料；异相颗粒弥散强化的复相陶瓷；自补强复相陶瓷，也称为原位生长复相陶瓷；梯度功能福相陶瓷和纳米复相陶瓷。例如SiC-TiC纳米符合陶瓷的断裂韧性可达16MPam1/2与铸铁的韧性相当；Al2O3、
5、SiC纳米复合陶瓷在1100仍保持1500MPa的高强度。,发展趋势,微米陶瓷向纳米陶瓷发展 结构陶瓷 的研究与开发正在从目前微米级尺度（从粉体到显微结构）向纳米级尺度发展。其径路尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸以及缺陷尺寸都属于纳米量级，为了得到纳米陶瓷，一般的制粉、成型和烧结工艺已不适应，这必将引起陶瓷工艺的发展与变革，也将一区陶瓷学理论的发展乃至建立新的理论体系，以适应纳米尺度的需求。由于晶粒细化有助于晶粒间的滑移，而使陶瓷具有超塑性，因此晶粒细化可能使陶瓷的原有性能得到很大改善，以至在性能上发生突变甚至出现新的性能或功能。纳米陶瓷的发展是当前陶瓷研究和开发的一个重要趋势，它将促使陶
6、瓷材料的研究从工艺到理论、从性能到应用都提升到一个崭新的阶段。,发展趋势,由经验式研究向材料设计方向发展 由于陶瓷科学的发展，高性能结构陶瓷 的研究已摆脱以经验式研究为主导的方式，而步入按使用和性能上的要求对陶瓷材料进行剪裁和设计的阶段。,制备技术,结构陶瓷材料的制备技术最主要是成型技术和烧结技术。 成型技术是制备复杂形状陶瓷制品的必须手段。目前，高性能结构陶瓷使用的成型方法主要分干法和湿法两大类。由于原料采用的多是微细或超微细的瘠性粉体，具有很强的颗粒团聚倾向，易造成坯体密度不均，局部剥离或分层，烧结后产生开裂、尺寸的精确性差等缺陷。针对高性能结构陶瓷的成型问题，90年代以来发展起来的一系列
7、使用非孔模具，实现原位固化的新型胶态成型技术，迅速成为目前国内外高性能结构陶瓷成型技术的研究热点。,成型技术,1993年，瑞士苏黎世联邦高等工业学院L.J.Gauckler实验室将生物酶技术用于胶态成型，发明了直接凝固注模（Direct Coagulation Casting,简称DCC)成型技术,该方法不用表面活性剂制备出高固相含量(55vol%以上)、低粘度的浆体，通过引入酶和底物（如尿素酶和尿素）注入非孔模具后，诱发酶对底物水解的催化反应，从而改变浆体的pH值或放出反离子降低双电层的 电位，使固相颗粒又吸引聚集，实现原位固化。由于含有机物和添加剂极少，脱模干燥后可无需脱脂直接烧结，在液-
8、固转换中几乎不产生体积收缩!，特别适用于较大尺寸、形状复杂的陶瓷零部件的成型。,成型技术,此外，国际上还采用一些特殊的成型方法来制备纳米陶瓷材料，以克服由于原料晶粒尺寸很小，比表面积巨大，传统的成型方法易出现坯体开裂的现象。一种方法为脉冲电磁力成型法。即脉冲电磁力在纳米Al2O3 粉上产生210GPa持续几个微秒的压力脉冲,能使样品达到62%83%的理论密度。另一种成型方法为二次加压成型法。第一次加压导致纳米粉体软团聚的破碎，第二次加压导致晶粒的重排，以使颗粒间能更好地接触。用这种方法可使素坯达到更高的密度。,成型技术,当今，高性能陶瓷的成型技术及其理论的研究受到高度重视，各种陶瓷成型技术都有
9、各自的优点和一定局限。根据近几年国际国内的研究开发情况和发展趋势，可以看出，采用低粘度高固相含量粉体浆料，通过原位固化方法和纳米陶瓷成型技术有望成为今后高性能陶瓷成型技术的一个主要方向。,烧结技术,高性能陶瓷材料的烧结通常是采用常压、热压和热等静压等对材料实施烧结。随着科学的发展，对材料性能要求的提高，近年来发展起来的陶瓷材料纳米烧结技术倍受关注。与常规粉体的烧结相比纳米烧结具有烧结活化能低、烧结速率加快和烧结开始温度降低的特点。,烧结技术,热压烧结 气压烧结 等离子活化烧结(PAS) 利用脉冲大电流通过施加了压力的粉体，使粉体颗粒间发生微放电激发等离子活化颗粒，然后再通电加热的奥晒节温度，整
10、个过程一般在10min左右即可完成。,常用结构陶瓷举例,氧化铝陶瓷,氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温结构材料。 它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。,氧化铝陶瓷,耐磨抗冲击氧化铝陶瓷衬片、衬板、衬块 产品具有耐磨、抗冲击、施工方便等特点，广泛适用于矿山、热电、水泥等行业的物料输送。,耐磨抗冲击氧化铝陶瓷衬片,耐磨抗冲击氧化铝陶瓷衬板、衬块,氧化铝陶瓷,人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3。红宝
11、石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。现在，已经 能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。,碳化硅结构陶瓷,碳化硅SiC，俗称金刚砂。Si-C为很强的共价键，故SiC属原子晶体，熔点高（2450），硬度大（9.2），是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质，会使之出现半导体，作为高温半导体，用于电热元件。碳化硅制成的涡轮叶片见右图,碳化硅结构陶瓷,碳化硅有很好的热稳定性和化学稳定性，热膨胀系数小，其高温强度是所有陶瓷材料中最好的。因此，作为高温结构陶瓷，日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境。现已用作火箭喷嘴，热电偶保护管，热交换器和耐磨、耐蚀的零件。,碳化硅结构陶瓷,氮化硅陶瓷,氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。,氮化硅陶瓷,身边的结构陶瓷,身边的结构陶瓷,身边的结构陶瓷,THATS ALL,谢谢观赏,八月十六快乐,
