陶瓷材料簡(jiǎn)要介紹

1、2021-11-151Ceramic Material2021-11-1521 陶瓷的基本相陶瓷的基本相2 陶瓷的基本性能陶瓷的基本性能3 陶瓷力學(xué)性能的檢測(cè)方法陶瓷力學(xué)性能的檢測(cè)方法4 常見(jiàn)陶瓷常見(jiàn)陶瓷5 產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析目錄目錄2021-11-1531 1 陶瓷的基本相陶瓷的基本相1.1 晶相晶相 1.2 玻璃相玻璃相1.3 氣孔氣孔氣孔氣孔晶相晶相玻璃相玻璃相陶陶瓷基本相瓷基本相2021-11-1551.1 1.1 晶相晶相 主要組成相，一般由離子鍵（MgO和Al2O3）或共價(jià)鍵（SiC、Si3N4）結(jié)合而成，其種類、數(shù)量、晶粒大小等對(duì)陶瓷的性能起決定性作用。晶相種類及含量對(duì)陶瓷抗折強(qiáng)度

2、的影響晶相種類及含量對(duì)陶瓷抗折強(qiáng)度的影響瓷質(zhì)長(zhǎng)石質(zhì)瓷強(qiáng)化長(zhǎng)石質(zhì)瓷剛玉瓷主晶相及含量莫來(lái)石2030%莫來(lái)石、剛玉4060%剛玉90%抗折強(qiáng)度/MPa80100500a.a.晶相種類及含量對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響：晶相種類及含量對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響：b.b.晶粒大小對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響：晶粒大小對(duì)陶瓷強(qiáng)度的影響： 強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系符合Hall-Petch關(guān)系式： b o kd-1/2 式中o為無(wú)限大單晶的強(qiáng)度，k為系數(shù)，d為晶粒直徑。從上式可以看出，細(xì)晶組織對(duì)提高材料的室溫強(qiáng)度有利細(xì)晶組織對(duì)提高材料的室溫強(qiáng)度有利無(wú)害。無(wú)害。晶粒直徑/um193.290.554.325.111.58.76.71.8抗折強(qiáng)度/M

3、pa75.2140.3 203.8 311.1 431.1 483.6 484.8581剛玉陶瓷剛玉陶瓷的晶粒尺寸與抗折強(qiáng)度的晶粒尺寸與抗折強(qiáng)度 如剛玉剛玉陶瓷的晶粒尺寸大小對(duì)其抗折強(qiáng)度的影響。91.2 1.2 玻璃相玻璃相非晶態(tài)固體，陶瓷燒結(jié)時(shí)，各組成相與雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后，形成液相，冷卻凝固而成。玻璃相作用玻璃相作用粘粘 結(jié)結(jié) 晶晶 相相降低燒結(jié)溫度降低燒結(jié)溫度抑制晶粒長(zhǎng)大抑制晶粒長(zhǎng)大填填 充充 氣氣 孔孔缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：熔點(diǎn)低，熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下開(kāi)始軟化. 1.31.3 氣相：氣相：氣孔的影響：氣孔的影響： i：有害的影響：降低強(qiáng)度。 ii：有利的影響：保溫性增加，保溫陶瓷、

4、化工過(guò)濾的多孔陶瓷。氣孔率可達(dá)到60%。高強(qiáng)度陶瓷的組織要求：高強(qiáng)度陶瓷的組織要求： 晶粒尺寸小，晶體缺陷少晶粒尺寸小，晶體缺陷少晶粒尺寸均勻，等軸晶粒尺寸均勻，等軸晶界相含量適中，減少脆性玻璃相晶界相含量適中，減少脆性玻璃相減少氣孔率減少氣孔率高強(qiáng)度陶瓷高強(qiáng)度陶瓷 塊狀纖維晶須Al2O3280210021000不同截面大小陶瓷的強(qiáng)度值：不同截面大小陶瓷的強(qiáng)度值：MPa均勻的晶粒尺寸越小，缺陷產(chǎn)生的幾率越小, 強(qiáng)度越高。2021-11-15122 陶瓷的基本性能陶瓷的基本性能2.1 2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能2.2 2.2 物理及化學(xué)性能物理及化學(xué)性能2.1 2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能: :：硬度

5、硬度 是各類材料中最高的。是各類材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在陶瓷具有高硬度，大多在1500HV以上以上。 （淬火鋼：500-800HV）, 陶瓷作為新型的刃具和耐磨零件。 ：剛度剛度 是各類材料中最高的。是各類材料中最高的。 ：強(qiáng)度強(qiáng)度 耐壓（抗壓強(qiáng)度高），抗彎（抗彎強(qiáng)度高），不耐耐壓（抗壓強(qiáng)度高），抗彎（抗彎強(qiáng)度高），不耐拉（抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)）較高的高溫強(qiáng)拉（抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)）較高的高溫強(qiáng)度。度。 ：塑性塑性，在室溫幾乎沒(méi)有塑性。在室溫幾乎沒(méi)有塑性。 ：韌性韌性差，差，脆性脆性大。是陶瓷的最大缺點(diǎn)。大。是陶瓷的最大缺點(diǎn)。2.2 2.2 物理及化

6、學(xué)性能：物理及化學(xué)性能：.熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：具有高的熔點(diǎn)，多數(shù)在2000以上。.熱膨脹：熱膨脹：線膨脹系數(shù)一般為10-5到10-6，結(jié)構(gòu) 緊密，膨脹系數(shù)小。.抗熱震性：抗熱震性：在溫度急劇變化時(shí)抵抗破壞的能力； 陶瓷抗熱震性一般較差，受熱沖擊時(shí)易破壞。 .高的化學(xué)穩(wěn)定性：高的化學(xué)穩(wěn)定性：抗氧化，1000高溫下不氧化；對(duì)酸、 堿、鹽有良好的抗蝕性。3 陶瓷力學(xué)性能的檢測(cè)方法陶瓷力學(xué)性能的檢測(cè)方法3.1 3.1 硬度硬度3.2 3.2 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度3.3 3.3 斷裂韌性斷裂韌性 3.1 硬度硬度 硬度是材料抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征。通常采用的是維氏硬度與莫氏硬度。材料Al2O3MgOZrO

7、2BeOB4CSiCZrC硬度(HV)2000122017001520-495025502600材料TiCWC金剛石Si3N4CBNAlNMoSi2硬度(HV)32002400100001700700014501180 典型結(jié)構(gòu)陶瓷材料維氏硬度維氏硬度的測(cè)量維氏硬度的測(cè)量 將一個(gè)相對(duì)夾角為136的正四棱錐金剛石壓頭在一定的負(fù)荷下壓入試樣表面，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的保持后卸載，測(cè)定壓痕兩對(duì)角線的長(zhǎng)度并取其平均值（d）計(jì)算壓痕的實(shí)際面積，負(fù)荷和所測(cè)面積的比值就是維氏硬度，用HV表示。經(jīng)幾何換算后得到：20.1891 PHVdHV - 維氏硬度符號(hào)； P -試驗(yàn)力，N； d- 壓痕兩對(duì)角線d1、d2的算術(shù)平

8、均值，mm莫氏硬度表分級(jí)代表材料分級(jí)代表材料分級(jí)代表材料1滑石2石膏3方解石4螢石5磷灰石6正長(zhǎng)石7石英玻璃8石英9黃玉10石榴石11熔融氧化鋁12剛玉13碳化硅14碳化硼15金剛石莫氏硬度莫氏硬度：是應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所是應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所測(cè)測(cè)試試樣的表面而發(fā)生劃痕，其硬度值并非絕對(duì)硬度值，而是按硬樣的表面而發(fā)生劃痕，其硬度值并非絕對(duì)硬度值，而是按硬度的順序表示的值。度的順序表示的值。3.2 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度彎曲實(shí)驗(yàn)一般分三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲兩種)(232MPahbLP式中為抗彎強(qiáng)度(MPa)，P為加載載荷(N)，L為支點(diǎn)跨距（mm)，b為試樣斷口處寬度(mm)，h為

9、試樣斷口處高度(mm)。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試示意圖 應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料脆性斷裂的主要原因之一，而反映材料抵抗應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂的指標(biāo)是斷裂韌性，常用的方法有單邊切口梁法、壓痕法、雙扭法和雙懸臂梁法。本節(jié)只簡(jiǎn)要介紹壓痕法測(cè)定方法。3.3 斷裂韌性斷裂韌性2021-11-1521 用維氏或顯微硬度壓頭，壓入拋光的陶瓷試樣表面，在壓痕對(duì)角線延長(zhǎng)方向出現(xiàn)四條裂紋，測(cè)定裂紋長(zhǎng)度，根據(jù)載荷與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系，求得KIc值。壓痕法壓痕法 PPC（左）和PPC（右）時(shí)壓痕（以PC作為可是壓痕產(chǎn)生裂紋的臨界負(fù)荷）壓痕法壓痕法caEHHaKIC4 . 8lg055. 05221KIC是斷裂韌性為一常數(shù)，約等于3HV是維

10、氏硬度a為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的一半c為表面裂紋長(zhǎng)度的一半4 常見(jiàn)陶瓷常見(jiàn)陶瓷4.1 普通陶瓷普通陶瓷4.2 特種陶瓷特種陶瓷 4.2.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 4.2.2 氮化物陶瓷氮化物陶瓷 4.2.3 碳化物陶瓷碳化物陶瓷 原材料原材料粘土（粘土（Al2O3 2SiO2 H2O）長(zhǎng)石（長(zhǎng)石（K2O Al2O3 6SiO2；Na2O Al2O3 6SiO2）石英（石英（SiO2）4.1 普通陶瓷普通陶瓷堅(jiān)硬，不氧化、不導(dǎo)電，成型性好堅(jiān)硬，不氧化、不導(dǎo)電，成型性好耐耐1200高溫，成本低廉。高溫，成本低廉。強(qiáng)度低，高溫下玻璃相易軟化。強(qiáng)度低，高溫下玻璃相易軟化。性能性能化工陶瓷化工陶瓷日用陶瓷日用

11、陶瓷電工陶瓷電工陶瓷用途用途建筑陶瓷建筑陶瓷 特種陶瓷，又稱精細(xì)陶瓷，采用純度較高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），經(jīng)配料、成型、燒結(jié)而制得。按其應(yīng)用功能分類，大體可分為高強(qiáng)度、耐高溫和復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷及電工電子功能陶瓷。4.2 特種陶瓷特種陶瓷 4.2.1 4.2.1 氧化物陶瓷：氧化物陶瓷： 1）氧化鋁陶瓷）氧化鋁陶瓷 以以- Al2O3為主晶相，為主晶相，根據(jù)根據(jù)Al2O3含量和添含量和添加劑的不同，有不同系列。如根據(jù)加劑的不同，有不同系列。如根據(jù)Al2O3含量不同可分為含量不同可分為75瓷，瓷，85瓷，瓷，95瓷，瓷，99瓷等瓷等;根據(jù)其主晶相的不同可分

12、為莫來(lái)石瓷、剛根據(jù)其主晶相的不同可分為莫來(lái)石瓷、剛玉玉-莫來(lái)瓷和剛玉瓷莫來(lái)瓷和剛玉瓷;根據(jù)添加劑的不同又分為鉻剛玉、鈦剛玉等。根據(jù)添加劑的不同又分為鉻剛玉、鈦剛玉等。牌號(hào)Al2O3（）相對(duì)密度硬度（莫氏）抗壓強(qiáng)度Mpa抗拉強(qiáng)度Mpa85瓷853.459180015096瓷963.729200018099瓷993.9092500250性能：性能：Al2O3含量越高，性能越好，氧化鋁陶瓷的性能2021-11-1528應(yīng)用應(yīng)用化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性：A12O3陶瓷與大多數(shù)熔融金屬不發(fā)生反映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定溫度以上對(duì)其有還原作用;熱的硫酸能溶解A12O3，熱的HCl, HF對(duì)其也有一

13、定腐蝕作用?？勺鳛槟退岜萌~輪、泵體、泵蓋、軸套，輸送酸的管道內(nèi)襯和閥門(mén)2021-11-1529高硬度和耐磨性高硬度和耐磨性：在機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如制造紡織耐磨零件、刀具。各種發(fā)動(dòng)機(jī)中還大量使用A12O3陶瓷火花塞。電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗：氧化鋁的含量高于95%的Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗等特點(diǎn)，因而在電子、電器方面有十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 2 2）氧化鋯陶瓷）氧化鋯陶瓷 ZrO2有立方結(jié)構(gòu)(c相)、四方結(jié)構(gòu)(t相)及單斜結(jié)構(gòu)(m相)。根據(jù)所含相的成分不同，ZrO2陶瓷可分為穩(wěn)定ZrO2陶瓷材料、部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷。 穩(wěn)定穩(wěn)定ZrO2陶

14、瓷陶瓷：主要由立方相組成主要由立方相組成p耐火度高、比熱與導(dǎo)熱系數(shù)小耐火度高、比熱與導(dǎo)熱系數(shù)小：是理想的高溫隔熱材料，可以用做高溫爐內(nèi)襯，也可作為各種耐熱涂層。p化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫時(shí)仍能抗酸性和中性物質(zhì)的腐蝕，但不能抵抗堿性物質(zhì)的腐蝕。周期表中第V , VI ,VII族金屬元素與其不發(fā)生反應(yīng)，可以用來(lái)作為熔煉這此金屬的坩堝。2021-11-1532p 強(qiáng)度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能非常高強(qiáng)度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能非常高：被稱為“陶瓷鋼”。同時(shí)其熱傳導(dǎo)系數(shù)小，隔熱效果好，而熱膨脹系數(shù)又比較大，比較容易與金屬部件匹配，在日前所研制的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)中用于氣缸內(nèi)壁、活塞、缸蓋板部件。部分部分穩(wěn)

15、定穩(wěn)定ZrO2陶陶瓷瓷：由由四方和立方四方和立方雙相組織組成雙相組織組成足夠高的強(qiáng)度和耐磨性，又與光纖材料相似的線膨脹系數(shù)（5*10-6/），當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)候，氧化鋯陶瓷的收縮和膨脹和光纖基本相同，以保證光纖端面的緊密接觸，防止光信號(hào)的損失。光通訊用光纖陶瓷插芯光通訊用光纖陶瓷插芯 3）氧化鈹陶瓷）氧化鈹陶瓷 氧化鈹陶瓷最大的特點(diǎn)是高導(dǎo)熱率、高熔點(diǎn)（2530)、高強(qiáng)度、高絕緣性、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性、高抗熱沖擊性，經(jīng)常用于制造坩堝和真空陶瓷等。 以以BeO陶瓷為基板的10cm*5cm高密度電路 按制造工藝分：熱壓燒結(jié)氮化硅熱壓燒結(jié)氮化硅（- Si3N4）陶瓷； 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（

16、- Si3N4）陶瓷。 熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷組織致密，氣孔率接近于零，強(qiáng)度高。反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷有20%30%氣孔. 4.2.2 氮化物陶瓷氮化物陶瓷1）氮化硅陶瓷）氮化硅陶瓷2021-11-1537燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 反應(yīng)燒結(jié) 燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能得到復(fù)雜的形狀 密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差 熱壓燒結(jié) 用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好 只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低 熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅性能對(duì)比熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅性能對(duì)比特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）硬度高：）硬度高：氮化硅的硬度高，HV=18GPa21GPa，僅次于金剛石、立方BN、B4C等少數(shù)幾種超硬材料。（2）摩擦因子?。海?/p>

17、摩擦因子?。褐挥?.10.2，具有自潤(rùn)滑性；（3）化學(xué)穩(wěn)定性好：）化學(xué)穩(wěn)定性好：抗氫氟酸以外的各種無(wú)機(jī)酸和 堿溶液的侵蝕，也能抵抗熔融非 鐵金屬的侵蝕；（4）較高的室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性）較高的室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性:室溫抗彎強(qiáng)度通常在800-1050MPa，斷裂韌性為6-7MPam1/2 Si3N4軸承應(yīng)用：應(yīng)用：熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。 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(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、氣閥2） 氮化鋁氮化鋁AlN陶瓷陶瓷 密度3.26g/cm3，無(wú)熔點(diǎn)，在無(wú)熔點(diǎn)，在2200- 2250升華分解，熱升華分解，熱硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。莫氏硬度79，強(qiáng)度200300MPa。最大的特點(diǎn)是導(dǎo)熱率高，可達(dá)200W/m.K以上，是 A12O3的的2-3倍，熱壓時(shí)強(qiáng)度比倍，熱壓時(shí)強(qiáng)度比Al2O3還高還高，與單晶硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，以及高電阻率，是理想的基片材料。問(wèn)題：難燒結(jié)，問(wèn)題：難燒結(jié)， 成本高成本高(氣氛保護(hù)等等氣氛保護(hù)等等) 包括：碳化硅、碳化鈰、碳化鉬、碳化鈮、碳化鈦、 碳化鎢、碳化鉭、碳化釩、碳化鋯、碳化鉿等。特點(diǎn)特點(diǎn)具有很高的熔點(diǎn)（3000以上以上）