《陶瓷的连接》课件

材料连接新技术陶瓷材料的连接 第五章主要内容陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的连接方法陶瓷材料的连接方法 1.陶瓷材料概论陶瓷材料概论 1.1 陶瓷概念陶瓷概念 陶瓷的英文名为陶瓷的英文名为Ceramic，起源于希腊语，起源于希腊语Keramos(意为意为陶器陶器)陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机无机非金属材料非金属材料。特种陶瓷特种陶瓷普通陶瓷普通陶瓷陶陶 瓷瓷日日用用陶陶瓷瓷（包包括括艺艺术术陈陈列列陶陶瓷瓷）建建筑筑卫卫生生陶陶瓷瓷化化 工工 陶陶 瓷瓷化化 学学 瓷瓷电电瓷瓷及及其其他他工工业业用用陶陶瓷瓷1.2 陶瓷的分类陶瓷的分类按陶瓷概念和用途来分类按陶瓷概念和用途来分类 结结 构构 陶陶 瓷瓷功功 能能 陶陶 瓷瓷结构陶瓷结构陶瓷，是指那些利用其高强度、高硬度、良好，是指那些利用其高强度、高硬度、良好的耐磨性等力学性能及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等的耐磨性等力学性能及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特性，特性，作为结构部件作为结构部件使用的陶瓷材料。使用的陶瓷材料。功能陶瓷功能陶瓷，是指那些利用其电、磁、声、光、电、，是指那些利用其电、磁、声、光、电、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或是多种性热等直接效应和耦合效应所提供的一种或是多种性质来质来实现某种使用功能实现某种使用功能的特种陶瓷。的特种陶瓷。特种陶瓷与传统陶瓷区别特种陶瓷与传统陶瓷区别物质结构：物质结构：指组成材料指组成材料的化学键和晶体结构的化学键和晶体结构显微结构：显微结构：指在显微镜指在显微镜下看到的结构下看到的结构 陶瓷具有多相多晶体结陶瓷具有多相多晶体结构：由构：由晶相晶相(1)、玻璃相、玻璃相(2)和气相和气相(3)所组成所组成1.3.陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构1.3.1 晶相晶相 晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。晶相的性质：晶相的性质：结合键是离子键、共价键、混合键结合键是离子键、共价键、混合键陶瓷晶相具有牢固结合键的性质，是陶瓷材料具有陶瓷晶相具有牢固结合键的性质，是陶瓷材料具有高熔点、高耐热性、高硬度、高耐蚀性和无塑性的根高熔点、高耐热性、高硬度、高耐蚀性和无塑性的根本原因本原因氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。等以共价键为主，称共价晶体。-石英石英870-鳞石英鳞石英1470-方石英方石英1713熔融熔融SiO2573-石英石英163-鳞石英鳞石英117-鳞石英鳞石英180270方石英方石英急冷急冷加热加热石英玻璃石英玻璃SiO2的同素异构转变的同素异构转变 有些晶相存在同素异构转变，同一种化合物能够获有些晶相存在同素异构转变，同一种化合物能够获得不同的晶体结构得不同的晶体结构 晶粒越细，强韧性越高晶粒越细，强韧性越高细晶强化是提高陶瓷材料强韧性的有效措施细晶强化是提高陶瓷材料强韧性的有效措施晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶）晶粒平均尺寸为粒平均尺寸为200m时，抗弯强度为时，抗弯强度为74MPa，1.8m时抗弯强度可高达时抗弯强度可高达570MPa。主晶相的性质是决定陶瓷性能的主要因素主晶相的性质是决定陶瓷性能的主要因素 玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的非晶态物质。在冷却凝固时形成的非晶态物质。1.3.2 玻璃相玻璃相玻璃相的作用将分散的晶相粘结在一起；将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大抑制晶相的晶粒长大填充气孔。填充气孔。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为510%，要力，要力求使其呈球状，均匀分布。求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。1.3.3 气相气相 气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达达60。陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的结合键特点l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。共价键共价键离子键离子键2.结构陶瓷的性能特点(1)线胀系数线胀系数 比金属低，大约比金属低，大约10-510-6K 铜：铜：17.710-6K 铝：铝：2310-6K 铁：铁：11.7610-6K 镁：镁：24.310-6K 随气孔率增加，陶瓷的热胀系数降低随气孔率增加，陶瓷的热胀系数降低(2)熔点熔点 比金属高得多，一般在比金属高得多，一般在2000以上以上 铜：铜：1083 铝：铝：660 铁：铁：1538 镁：镁：650 故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。2.1 物理性能物理性能(3)导电性导电性 大多数是良好的绝缘体大多数是良好的绝缘体 也有一些半导体，如也有一些半导体，如NiO、Fe3O4等等(4)导热性导热性 导热性差，大多为良好的绝热体导热性差，大多为良好的绝热体 =10-210-5W/mK 随气孔率增加，陶瓷的热导率降低随气孔率增加，陶瓷的热导率降低(5)有些陶瓷具有特殊的光学性能有些陶瓷具有特殊的光学性能 红宝石（红宝石（-Al2O3掺铬离子）、钇铝石榴石、含钕玻掺铬离子）、钇铝石榴石、含钕玻璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻材料。敏电阻材料。(6)磁性磁性 磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是Fe2O3和和Mn、Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁带、磁头等。可用作磁芯、磁带、磁头等。2.2 化学性能 化学稳定性高化学稳定性高 原因：原因：金属原子被非金属原子包围，受到非金属原子金属原子被非金属原子包围，受到非金属原子的屏蔽，因而形成极为稳定的化学结构。的屏蔽，因而形成极为稳定的化学结构。表现：表现：抗氧化抗氧化(不再与介质中的氧发生作用，甚至在不再与介质中的氧发生作用，甚至在1000的高温下也不会氧化的高温下也不会氧化)抗腐蚀抗腐蚀(具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐蚀，具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐蚀，以及抵抗熔融金属腐蚀的能力以及抵抗熔融金属腐蚀的能力)2.3 力学性能(1)硬度硬度 硬度是各类材料中最高的，可作为刀具材料使用硬度是各类材料中最高的，可作为刀具材料使用 高聚物高聚物20HV 淬火钢淬火钢500800HV 陶瓷陶瓷10005000HV(2)强度强度 抗压不抗拉，抗压不抗拉，(抗拉强度很低，比抗压强度低一个抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级数量级)，抗弯，抗弯(抗弯强度高抗弯强度高)。内部存在微裂纹和气孔等缺陷内部存在微裂纹和气孔等缺陷，是导陶瓷材料抗，是导陶瓷材料抗拉强度较低的原因拉强度较低的原因 高弹性模量高弹性模量，E=100400GPa（金属（金属210）韧韧韧韧性性性性陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷硬硬硬硬度度度度压压压压痕痕痕痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹(3)塑性塑性 在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点的最大缺点在拉力作用下产在拉力作用下产生一定的弹性变生一定的弹性变形后直接断裂形后直接断裂 冲击韧性、断裂韧性低冲击韧性、断裂韧性低 KIC 约为金属的约为金属的1/601/100 几种材料的断裂韧性几种材料的断裂韧性材料材料KIC /MPa.m1/245钢钢90球墨球墨铸铁铸铁2040氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷3.55(4)高温强度高、蠕变抗力高高温强度高、蠕变抗力高作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用3.几种常用的结构陶瓷 氧化物陶瓷是指氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷包含氧元素的陶瓷，包括由金属与，包括由金属与非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。子键结合，也有一定成分的共价键。最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和和AB2O4等结构类型等结构类型(A、B表表示阳离子示阳离子)。工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过超过2000，应用最多的是，应用最多的是SiO2，Al2O3，ZrO2，MgO，CaO，BeO，ThO2等，以及一些氧化物之间的化合等，以及一些氧化物之间的化合物如物如3Al2O3Al2O3(尖晶石尖晶石)等。等。3.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 以以-Al2O3为主晶相的陶瓷材料为主晶相的陶瓷材料 晶体结构：晶体结构：Al2O3目前已知有目前已知有10种同质异晶体，主要有三种晶型：种同质异晶体，主要有三种晶型：-Al2O3 -Al2O3 -Al2O33.1.1氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷-Al2O3的晶体结构氧化铝的结构是氧化铝的结构是O-2排成密排六排成密排六方结构，方结构，Al+3占据间隙位置。占据间隙位置。根据含杂质的多少，氧化铝呈根据含杂质的多少，氧化铝呈红色红色(如红宝石如红宝石)或蓝色或蓝色(如蓝宝如蓝宝石石)氧化铝陶瓷的性能与用途以基体中所含以基体中所含Al2O3质量分数分类质量分数分类(75瓷，瓷，95瓷，瓷，99瓷瓷)随随Al2O3的质量分数增加，机械强度，介电常数，的质量分数增加，机械强度，介电常数，导热系数等也提高导热系数等也提高表表3-3 几种氧化物陶瓷的化学组成几种氧化物陶瓷的化学组成优点：硬度高、很好的耐磨性、耐蚀性和高温性能优点：硬度高、很好的耐磨性、耐蚀性和高温性能缺点：韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急缺点：韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化剧变化用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管，以及化工行业中的一些特殊零部件，温热电偶套管，以及化工行业中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。3.1.2 氧化锆陶瓷研发历史研发历史20世纪世纪20年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材料；材料；1968年，日本松下电器公司开发出氧化锆非线性电阻元件；年，日本松下电器公司开发出氧化锆非线性电阻元件；1973年，美国年，美国R.Zechnall制得电解质氧传感器，能正确显制得电解质氧传感器，能正确显示汽车发动机的空气示汽车发动机的空气/燃料比，燃料比，1980年用于钢铁工业；年用于钢铁工业；1975年，澳大利亚年，澳大利亚R.G.Garvie以以CaO为稳定剂制得部分稳为稳定剂制得部分稳定的氧化锆，并首次利用陶瓷马氏体相变的增韧相应，提定