第十一章陶瓷材料

1、第十一章,陶瓷材料,陶瓷材料是除,金屬和高聚物,以外的無機非,金屬材料通稱,工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃,水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu),良的新型陶瓷,第一節(jié),概述,一、陶瓷材料的特點,1,陶瓷材料的相組,成特點,陶瓷材料通常由三,種不同的相組成,即,晶相,1,玻璃相,2,和,氣相,3,氣孔,晶相,是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物,理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相,玻璃相,的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材,料致密度、降,低燒結(jié)溫度和,抑制晶粒長大,氣相,是在工藝,過程中形成并,保留下來的,2,陶瓷材料的結(jié)合鍵特點,陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物,硅

2、化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵,如,Al,2,O,3,共價,鍵,如,Si,3,N,4,及兩者的混合鍵為主,離子鍵,共價鍵,3,陶瓷材料的性能特點,陶瓷材料具有高熔點、高,硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐,高溫、耐氧化、耐腐蝕等,特性,韌,性,陶,瓷,硬,度,壓,痕,陶瓷材料還具有密度小,彈性模量大、耐磨損、強,脆性陶瓷硬度壓痕周圍的裂紋,度高等特點,功能陶瓷還具有電、光,磁等特殊性能,4,陶瓷材料的工藝特點,陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高,溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體,燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在,的問題是其存在一定的氣孔率,Al,2,O,3,粉末的燒結(jié)組織,ZrO2,陶

3、瓷中的氣孔,二、陶瓷材料的分類,1,按化學(xué)成分分類,可將陶瓷材料分為,氧化物陶瓷,碳化物陶瓷,氮化物,陶瓷,及,其它化合物陶瓷,玻璃幕,墻,導(dǎo)電玻,璃,2,按使用的原材料分類,可將陶瓷材料分為,普通陶瓷,和,特種陶瓷,普通陶瓷,以天然的巖石,礦石、黏土等材料作原料,特種陶瓷,采用人工合成的,材料作原料,陶瓷零件,3,按性能和用途分類,可將陶瓷材料分為,結(jié)構(gòu)陶,瓷,和,功能陶瓷,兩類,第二節(jié),常用工業(yè)陶瓷,一、普通陶瓷,普通陶瓷是用粘土,Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,長石,K,2,O,Al,2,O,3,6SiO,2,Na,2,O,Al,2,O,3,6SiO,2,和石英,SiO,2

4、,為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷,其組織中主晶相為莫來石,3Al,2,O,3,2SiO,2,占,2530,玻璃相占,3560,氣相占,13,普通陶瓷加工成型性好,成本低，產(chǎn)量大,除日用陶瓷、瓷器外,大量用于電器、化工,建筑、紡織等工業(yè)部門,絕,緣,子,景,德,鎮(zhèn),瓷,器,二、新型結(jié)構(gòu)陶瓷,單相,Al,2,O,3,陶瓷組織,氧化鋁陶瓷,氧化鋁陶瓷以,Al,2,O,3,為主要成分,含有少量,SiO,2,的陶瓷，又稱高,鋁陶瓷,Al,2,O,3,密封、氣動,陶瓷配件,Al,2,O,3,化工、耐磨陶,瓷配件,根據(jù),Al,2,O,3,含量不同分為,75,瓷,含,75%Al,2,O,3,又稱,剛玉,莫來石

5、瓷,95,瓷和,99,瓷，后兩者又稱剛玉瓷,氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到,1950,具,有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極,高,僅次于金剛石,95,瓷紡織件,99,瓷紡織件,氧化鋁耐高溫噴嘴,氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝,熱偶套管，淬火鋼的切削,刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃,機的火花塞，火箭、導(dǎo)彈,的導(dǎo)流罩及軸承等,氧,化,鋁,陶,瓷,密,封,環(huán),氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥,氧化鋁陶瓷坩堝,氮化硅,Si,3,N,4,陶瓷,氮化硅是由,Si,3,N,4,四面體組成的共,價鍵固體,氮化硅的制備與燒結(jié)工藝,工業(yè)硅直接氮化,3Si+2N,2,Si,3,N,4,二氧化硅還原氮化,3SiO

6、,2,6C+2N,2,Si,3,N,4,6CO,優(yōu)點,缺點,燒結(jié)工藝,燒結(jié)時幾乎沒有收縮，能,密度低，強度低，耐蝕,反應(yīng)燒結(jié),得到復(fù)雜的形狀,性差,用較少的助劑就能致密化,只能制造簡單形狀，燒,熱壓燒結(jié),強度、耐蝕性最好,結(jié)助劑使高溫強度降低,性能特點及應(yīng)用,氮化硅的強度、比強度、比模量高；硬度僅次于金,剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為,0.10.2,熱膨脹系,數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定,性高,熱壓燒結(jié)氮化硅,用于形狀簡單,精度要求不高的,零件，如切削刀,具、高溫軸承等,Si,3,N,4,軸承,反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的,零件，如機械密封環(huán)等,葉片氣閥等零件,汽

7、輪機轉(zhuǎn)子,碳化硅,SiC,陶瓷,碳化硅是通過鍵能很高,的共價鍵結(jié)合的晶體,常壓燒結(jié)碳化硅,碳化硅是用石英沙,SiO,2,加焦碳直接加熱,至高溫還原而成,SiO,2,3CSiC+2CO,碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于,碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添,加燒結(jié)助劑促進燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等,碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨,損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強,僅次于氧化鈹陶瓷,SiC,密封件,碳化硅陶瓷用于制造火箭,噴嘴、澆注金屬的喉管,熱電偶套管、爐管、燃?xì)?輪機葉片及軸承，泵的密,封圈、拉絲成型模具等,SiC,陶瓷件,SiC,陶瓷件,SiC,軸

8、承,氧化鋯陶瓷,氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相,四方相,單斜相。四,方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化,易使制品開裂,ZrO,2,氧,化,鋯,單,相,陶,瓷,在氧化鋯中加入某些氧化物,如,CaO,MgO,Y,2,O,3,等,能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這,種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯,FSZ,其力學(xué),性能低，抗熱沖擊性差,減少加入的氧化物數(shù)量,使部分氧化物以四方相的,形式存在。由于這種材料,ZrO,2,陶瓷,耐火件,只使一部分氧化鋯穩(wěn)定,所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯,PSZ,氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生,當(dāng)受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖,端的應(yīng)力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提,高陶瓷材料的韌性,部分穩(wěn)定氧化鋯組織,部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率,低，絕熱性好；熱膨脹系,部分穩(wěn)定氧化鋯制品,數(shù)大，接近于發(fā)動機中使,