陶瓷材料幻灯片

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1、第八章 陶瓷材料,需要掌握的知识点了解陶瓷材料的定义、制备工艺了解陶瓷材料的组织特构及作用 了解陶瓷材料的性能特点 了解陶瓷材料的分类及应用,陶瓷材料的定义及制备工艺定义：陶瓷是无机高分子材料，用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。 陶瓷材料的制备工艺 制粉 压坯 烧结 成品,二 陶瓷材料的组织结构 1 晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。,2 玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。,3 气相：气孔（510）。 对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、

2、电击穿强度降低，绝缘性能降低。 对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小,三、 陶瓷的性能 1、力学性能： 硬度极高： （ 1500HV） 高弹性模量; 高脆性； 高的抗压强度； 低的抗拉强度： 低的塑性、韧性； 抗热振性能较低。,2、物理化学性能 高熔点 （ Tm 2000C） (高温强度、高温蠕变抗力) 低的热膨胀系数、热导率，良好的绝缘性。 特殊的光、电、磁性能：如压电性能、激光性能等 结构稳定，化学稳定高。,四、陶瓷的分类及应用 （按用途分 ）,普通陶瓷： 由粘土、长石、石英为原料配制，烧结而成。 组织：主晶相 莫来石2530% ， 次晶相 SiO2 ； 玻璃相 3560% 气相

3、13%,性能特点：质地坚硬，不氧化、不生锈、耐高温； 成型性好，成本低。强度低，绝缘性、耐高温性不如其它陶瓷。 应用： 生活中常用的各类陶瓷制品；电瓷绝缘子，耐酸、碱的容器和反应塔管道，纺织机械中的导纱零件。,2、特种陶瓷 （1）氧化铝陶瓷组织：AL2O3 主晶相，还有少量SiO2；性能：硬度高； 耐高温（抗氧化性能，高的蠕变抗力）； 耐腐蚀，绝缘性好； 脆性大，抗热振性差； 缺点,应用：内燃机火花塞；火箭导弹的导流罩； 用于制造耐磨零件，如轴承，纺织机上的导纱器等； 用于冶炼金属的坩埚；合成纤维喷嘴，和各种切削刀具等,（2）氮化硅陶瓷 主要成分：Si3N4 制备有两种方法：热压烧结；反应烧结

4、 性能特点：硬度高，摩擦系数小，极优异的耐磨材料。蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能最好。化学稳定性好(除氢氟酸外)，优异的绝缘性能。,应用：用于耐磨、耐高温、耐腐蚀、且形状复杂、尺寸精度高的陶瓷制品，如高温轴承、燃气轮机转子叶片。热电偶套管、石油化工泵的密封环（动密封） ；切削刀具。,（3）碳化硅陶瓷： 主要成分：SiC. 制备：反应烧结；热压烧结； 性能特点：高温强度高，导热性好。耐放射元素辐射； 热稳定性、抗蠕变、耐腐蚀性能好； 应用：高温结构材料； 火箭尾喷管的喷嘴；高温轴承； 热交换器，核燃料包封材料。,（4）氮化硼陶瓷： 主要成分：BN； 晶体结构为六方结构，与石墨相似，称“白石

5、墨”。 性能特点：耐热性、导热性好；热稳定好，抗热振性好；核反应堆中吸收热中子的控制棒,3、金属陶瓷 （1）成分：金属氧化物或碳化物 +添加适量的金属粉末 （AL2O3，ZrO2 ,TiC, WC 等+ Co,Ni,Cr,Fe,Mo,等） （2）制备：粉末冶金(过程：制粉 压制成型烧结后处理等),（3）金属陶瓷硬质合金（金属陶瓷的一种）： WC（TiC,TaC） + Co,Ni，Mo; 基体 粘结剂,(4) 性能特点： 高的硬度、高的热硬性、高的耐磨性（由于高速刚）； 抗压强度高，抗弯强度低，弹性模量高。 耐蚀性好，热膨胀系数比钢低； 缺点：脆性大，导热性好，不能用于切削的方法加工,（5）分类

6、，编号，应用： 钨、钴类：YG3，YG6 ，YG8 . 成分：WC + Co （数字为Co的含量 应用：制造的刀具可以切削脆性材料，如铸铁、一些有色金属和胶木等,钨、钴、钛类： YT5 ，YT15 ，YT30 . 成分：WC + Ti + Co 应用：制造的刀具可以切削韧性材料，如钢等。,万能硬质合金：YW1 ，YW2 . 成分： WC + TiC + TaC + Co 制造的刀具既可切削脆性材料，又可切削韧性材料，加工效果好。,第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺 粉末冶金（Powder Metallurgy）与陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括粉末制备、成型和烧结。其生产工艺过程

7、可简单地表示为：粉末制备坯料制备成型干燥烧结后处理热压或热等静压烧结成品 本章将讨论粉末冶金与陶瓷的成型原理、粉体制备技术、粉末冶金的成型工艺和陶瓷材料的成型工艺，最后介绍快速成型工艺。,第一节 粉体成型原理一、 粉料的基本物理性能1.粒度(Particle Size)和粒度分布(Particle Size Distribution) 粒度是指粉料的颗粒大小，通常以颗粒半径r或直径d表示。粒度分布是指多分散体系中各种不同大小颗粒所占的百分比。,2. 颗粒的形态与拱桥效应 人们一般用针状、多面体状、柱状、球状等来描述颗粒的形态。 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球

8、形，加上表面粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应（见图7-1）。,3. 粉体的表面特性 （1）粉体颗粒的表面能(surface energy)和表面状态 粉体颗粒表面的“过剩能量”称为粉体颗粒的表面能。 表7-1是当粒径发生变化时，一般物质颗粒其原子数与表面原子数之间的比例变化。 （2）粉体颗粒的吸附与凝聚(Coagulation) 一个颗粒依附于其它物体表面上的现象称之为附着。而凝聚则是指颗粒间在各种引力作用下的团聚。,4. 粉料的堆积（填充）特性(Packing Property) 单一颗粒（即纯粗颗粒或细颗粒）堆积时的空

9、隙率约40%。若用二种粒度（如平均粒径比为10:1）配合则其堆积密度增大；而采用三级粒度的颗粒配合则可得到更大的堆积密度。 5. 粉料的流动性(Flowing Property) 粉料虽然由固体小颗粒组成，但由于其分散度较高，具有一定的流动性。当堆积到一定高度后，粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体（图7-2），其自然安息角（偏角）保持不变。,二、 压制成型原理 压制成型是基于较大的压力，将粉状坯料在模型中压成块状坯体的。 1. 压制成型过程中坯体的变化 （1）密度的变化 （2）强度的变化 （3）坯体中压力的分布 图7-3为单面加压是坯体内部压力分布情况。,2. 影响坯体密度(Density)的

10、因素（1）成型压力 压制过程中，施加于粉料上的压力主要消耗在以下二方面： 1）克服粉料的阻力P1，称为净压力。 2）克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P2，称为消耗压力。 压制过程中的总压力P=P1+P2，即成型压力。 （2）加压方式 图7-4为加压方式和压力分布关系图。（3）加压速度（4）添加剂的选用,3. 对压制用粉料的工艺性能要求 由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各个角落，因此要求粉料具有良好的流动性。为了得到较高的素坯密度，粉料中包含的气体越少越好，粉料的堆积密度越高越好。,三、 可塑泥团的成型原理 1.可塑泥团的流变特性(Rheological Behavior) 图75为粘土泥

11、团的应力应变曲线。 图76表示了粘土的含水量与其应力应变曲线的关系。,第一节 粉体成型原理,2. 影响泥团可塑性的因素（1）固相颗粒大小和形状 一般地说，泥团中固相颗粒愈粗，呈现最大塑性时所需的水分愈少，最大可塑性愈低；颗粒愈细则比表面愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分愈多，由细颗粒堆积而成的毛细管半径越小，产生的毛细管力越大，可塑性也高。不同形状颗粒的比表面是不同的，因而对可塑性的影响也有差异。 （2）液相的数量和性质 水分是泥团出现可塑性的必要条件。泥团中水分适当时才能呈现最大的可塑性，如图7-7所示。,3. 对可塑坯料的工艺性能要求 可塑性好，含水量适当，干燥强度高，收缩率小，颗粒细度

12、适当，空气含量低。,第一节 粉体成型原理,四、 泥浆/粉浆的成型原理1. 泥浆的流变特性（1）泥浆的流动曲线 图7-8为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。 （2）影响泥浆流变性能的因素 1）泥浆的浓度 图7-9为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。 2）固相的颗粒大小 一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细、颗粒间平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减少。,3）电解质的作用 向泥浆中加入电解质是改善其流动性和稳定性的有效方法。 4）泥浆的pH值 pH值影响其解离程度，又会引起胶粒-电位发生变化，导致改变胶粒表面的吸力与斥力的平衡，最终使这类氧化物胶溶或絮凝。,2.注浆成型对泥浆的工艺性能的要

13、求 制备出的泥浆应能够满足下列基本要求：流动性好，稳定性好，适当的触变性，含水量少，滤过性好，坯体强度高，脱模容易，不含气泡。,第一节 粉体成型原理,第二节 粉体制备技术一、粉碎(Porphyrization)与机械合金化(Mechanical Alloying)方法 粉碎的过程是由机械能转变为粉料表面能的能量转化过程。机械粉碎法因其设备定型化，产量大，容易操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。 在相同的工艺条件下，添加少量的助磨剂往往可使粉碎效率成倍地提高（图7-10）。,第二节 粉体制备技术,二、 合成法(Synthetic)1. 原料合成的目的和作用2. 合成方法（1）金属粉末的合成方法

14、 1）还原法(Reduction Method) 还原法的基本原理就是所使用的还原剂对氧的亲和力比相应金属对氧的亲和力大，因而能够夺取金属氧化物中的氧而使金属被还原出来。 2）雾化法(Atomization Method) 雾化法生产金属和合金粉末就是利用高压气体（空气、惰性气体）或高压液体（通常是水）通过喷嘴作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。 3）电解法(Electrolysis Method) 电解法既可以在水溶液中进行，也可以在熔盐状态下进行。,（2）化合物粉末的合成方法 1）固相法(Solid Reaction Process) 固相法就是以固态物质为初始原料来制备粉末的方法。 化合反应法 热分解反应法 氧化物还原法 2）液相法制备粉末 液相法分为溶液法和熔液法两大类。 溶液法 生成沉淀法(Precipitation Method) a. 直接沉淀法 b. 均匀沉淀法 c. 共沉淀法,