陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料課件

1、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7 陶瓷基體和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1 高性能復(fù)合材料的陶瓷基體材料7.2 高性能陶瓷基復(fù)合材料 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1 高性能復(fù)合材料的陶瓷基體材料(ceramic matrix materials of HPCM)7.1.1 陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu)7.1.2 陶瓷的強(qiáng)度7.1.3 現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)7.1.4 常用陶瓷基體材料國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高

2、性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.1 陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu)7.1.1.1 陶瓷的鍵合及特點(diǎn)7.1.1.2 陶瓷的缺點(diǎn)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.1 陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu)（bonding and structure of ceramics）什么是陶瓷？什么是陶瓷？ 以無(wú)機(jī)非金屬天然礦物構(gòu)成的化工產(chǎn)品以無(wú)機(jī)非金屬天然礦物構(gòu)成的化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)原料處理、成形、干燥、燒為原料，經(jīng)原料處理、成形、干燥、燒成等工序制成的產(chǎn)品，分陶器和瓷器成等工序制成的產(chǎn)品，分陶器和瓷器(pottery and porcelain)兩大類，合稱

3、為兩大類，合稱為陶瓷。陶瓷。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu) 19711971年，美國(guó)興起年，美國(guó)興起“陶瓷熱陶瓷熱”，在，在“脆脆性材料計(jì)劃性材料計(jì)劃”中研制出包含中研制出包含104104個(gè)陶瓷零個(gè)陶瓷零件的示范型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，使其進(jìn)口溫度件的示范型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，使其進(jìn)口溫度提高提高200200，功率提高功率提高30%30%，燃耗降低，燃耗降低7%7%。 19791979年，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度達(dá)到年，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度達(dá)到13711371( (ACTT101)101)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性

4、能陶瓷基復(fù)合材料陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu)陶瓷分為兩類：陶瓷分為兩類： 傳統(tǒng)（通用）陶瓷傳統(tǒng)（通用）陶瓷(tradition or convention ceramic) 現(xiàn)代（或特種）陶瓷現(xiàn)代（或特種）陶瓷(modern or special ceramic) 作為高性能陶瓷基復(fù)合材料基體材料的一作為高性能陶瓷基復(fù)合材料基體材料的一般是般是現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu)何謂現(xiàn)代陶瓷？何謂現(xiàn)代陶瓷？ 原料原料：微米、亞微米級(jí)的高純?nèi)斯ず铣裳?、碳、微米、亞微米?jí)的高純?nèi)斯ず铣裳酢⑻?、氮、硼、硅、硫等無(wú)機(jī)非金屬物質(zhì)化合物

5、。氮、硼、硅、硫等無(wú)機(jī)非金屬物質(zhì)化合物。 成型方法成型方法：熱壓鑄、壓力澆注、干壓、冷等熱壓鑄、壓力澆注、干壓、冷等靜壓、注射、流延法、氣相沉積、浸漬等。靜壓、注射、流延法、氣相沉積、浸漬等。 燒成燒成：燒結(jié)（熱壓、無(wú)壓、熱等靜壓、冷等靜燒結(jié)（熱壓、無(wú)壓、熱等靜壓、冷等靜壓、反應(yīng)、氣氛加壓、重力、微波、自蔓延、壓、反應(yīng)、氣氛加壓、重力、微波、自蔓延、等離子）。一般要求在真空或惰性氣氛中進(jìn)行。等離子）。一般要求在真空或惰性氣氛中進(jìn)行。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料陶瓷的鍵合與結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代陶瓷的性能現(xiàn)代陶瓷的性能：具有多功能（壓電、鐵電、導(dǎo)：具有

6、多功能（壓電、鐵電、導(dǎo)電、半導(dǎo)體、磁性、濕敏、氣敏、壓敏等）、高電、半導(dǎo)體、磁性、濕敏、氣敏、壓敏等）、高硬度、高彈性模量、低密度、耐高溫、抗腐蝕、硬度、高彈性模量、低密度、耐高溫、抗腐蝕、絕緣、熱膨脹系數(shù)低、環(huán)境耐久性。但強(qiáng)度不高、絕緣、熱膨脹系數(shù)低、環(huán)境耐久性。但強(qiáng)度不高、脆、斷裂應(yīng)變小、斷裂韌性低、抗熱和力學(xué)沖擊脆、斷裂應(yīng)變小、斷裂韌性低、抗熱和力學(xué)沖擊性差、對(duì)內(nèi)部缺陷和表面缺陷敏感。性差、對(duì)內(nèi)部缺陷和表面缺陷敏感。 現(xiàn)代陶瓷應(yīng)用現(xiàn)代陶瓷應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)、寶石、刀具、磁、電、于高溫結(jié)構(gòu)、寶石、刀具、磁、電、光、聲、生物、機(jī)械、電子、宇航、絕緣等領(lǐng)域。光、聲、生物、機(jī)械、電子、宇航、絕緣等領(lǐng)

7、域。如如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料 7.1.1.1 陶瓷的鍵合及特點(diǎn)（1 1）陶瓷的鍵合）陶瓷的鍵合（bonding of ceramic) 除玻璃外的陶瓷材料都具有晶體結(jié)構(gòu)。與除玻璃外的陶瓷材料都具有晶體結(jié)構(gòu)。與金屬不同的是，陶瓷以金屬不同的是，陶瓷以離子鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合（ionic bond ）為主，也有一些為主，也有一些共價(jià)鍵共價(jià)鍵結(jié)合結(jié)合（covalent bond）。 陶瓷是由共價(jià)鍵和離子鍵以混合周期排列陶瓷是由共價(jià)鍵和離子鍵以混合周期排列方式形成的連續(xù)成分單元。如方式形成的連續(xù)成分單

8、元。如SiC。 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料陶瓷的鍵合及特點(diǎn)（2 2）陶瓷的特點(diǎn)）陶瓷的特點(diǎn) 化學(xué)穩(wěn)定性高化學(xué)穩(wěn)定性高（chemical very stable ），發(fā)發(fā)掘出的陶瓷可用于考古掘出的陶瓷可用于考古（archeology)； 高熔點(diǎn)、高彈性模量高熔點(diǎn)、高彈性模量（high melting point, high elastic modulus）； 位錯(cuò)和原子不易運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)和原子不易運(yùn)動(dòng)（low dislocation and atomic mobility），即塑性變形性差；，即塑性變形性差； 高硬度、低密度高硬度、低密度（hi

9、gh hardness, low density）。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料Table 7-1 Selected properties of some ceramics國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料表表7-2 陶瓷的典型性能國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.1.2 陶瓷的缺點(diǎn)（1）缺點(diǎn)缺點(diǎn)（drawbacks） 脆性大脆性大（high brittleness），斷裂模式，斷裂模式是災(zāi)難性破壞是災(zāi)難性破壞 (failure m

10、ode: catastrophic fracture) 強(qiáng)度度可靠性差強(qiáng)度度可靠性差（poor reliability of strength）國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料（2）可靠性指標(biāo)：強(qiáng)度（Indexes of Reliability: Strength） F = YKc/c1/2式中，式中，Y: 無(wú)量綱常數(shù)，取決于缺陷的幾何形狀（不是尺無(wú)量綱常數(shù)，取決于缺陷的幾何形狀（不是尺寸 ） 、 應(yīng) 力 場(chǎng) 和 試 樣 的 幾 何 形 狀寸 ） 、 應(yīng) 力 場(chǎng) 和 試 樣 的 幾 何 形 狀 （ a dimensionless consta

11、nt dependent on the geometry (not size) of the flaw and the geometry of the stress field and the sample）; c: 裂紋尺寸裂紋尺寸（the flaw size）; Kc: 斷裂韌性斷裂韌性（the fracture toughness）。 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料可靠性指標(biāo)：強(qiáng)度 F = Y E/c(1 - 2)1/2 式中，式中， : 斷裂表面能斷裂表面能（the fracture surface energy）; E:楊氏模量楊

12、氏模量（ the Youngs modulus）; :泊松比泊松比（ the Poisson ratio）。 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.2 陶瓷的強(qiáng)度（Strength of Ceramic）7.1.2.1 改善陶瓷強(qiáng)度的兩個(gè)途徑7.1.2.2 改善斷裂韌性Kc的方法國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.2.1 改善陶瓷強(qiáng)度的兩個(gè)途徑（Two ways to improve strength）下降裂紋長(zhǎng)度下降裂紋長(zhǎng)度（c ） 固體內(nèi)含有裂紋是材料微觀結(jié)構(gòu)的本征特性固體內(nèi)含有裂

13、紋是材料微觀結(jié)構(gòu)的本征特性（intrinsic features of microstructural ），因?yàn)椴牧现械奈⒂^夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷因?yàn)椴牧现械奈⒂^夾雜、氣孔和微裂紋等缺陷都可能成為裂紋源都可能成為裂紋源; ; 在材料結(jié)構(gòu)服役期間，對(duì)表面裂紋如劃傷、擦在材料結(jié)構(gòu)服役期間，對(duì)表面裂紋如劃傷、擦傷十分敏感傷十分敏感（sensitive to surface damage in service）國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料改善陶瓷強(qiáng)度的兩個(gè)途徑提高斷裂韌性提高斷裂韌性（K c ） 主要是通過(guò)各種機(jī)制來(lái)增加裂紋的擴(kuò)展阻主要是通過(guò)各

14、種機(jī)制來(lái)增加裂紋的擴(kuò)展阻力力（resistance to crack propagation），從而消耗能量，達(dá)到提高從而消耗能量，達(dá)到提高K c的目的；的目的； 通過(guò)選擇增強(qiáng)體的種類、形態(tài)、數(shù)量、尺通過(guò)選擇增強(qiáng)體的種類、形態(tài)、數(shù)量、尺寸和位向等各種結(jié)構(gòu)因素來(lái)改善寸和位向等各種結(jié)構(gòu)因素來(lái)改善K c 。 通過(guò)基體的相變效應(yīng)來(lái)增加韌性。通過(guò)基體的相變效應(yīng)來(lái)增加韌性。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.2.2 改善斷裂韌性Kc的方法（Methods to improve Kc）(1) (1) 消耗能量機(jī)制消耗能量機(jī)制（Energy releas

15、e mechanism） 裂紋偏轉(zhuǎn)或裂紋分叉裂紋偏轉(zhuǎn)或裂紋分叉（crack deflection or branching)； 裂紋被橋聯(lián)裂紋被橋聯(lián)（crack bridging）； 相變?cè)鲰g相變?cè)鲰g（phase transformation）。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料改善斷裂韌性Kc的方法(1)消耗能量機(jī)制圖7-1 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)（Crack Deflection and Bridging of the Fiber Reinforced CMCs）國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料

16、和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-2 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)制：纖維拔出、界面解離、裂紋橋聯(lián)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料改善斷裂韌性Kc的方法(2)各種結(jié)構(gòu)影響因素(2)(2)各種結(jié)構(gòu)影響因素各種結(jié)構(gòu)影響因素（miscellaneous）組元的體積分?jǐn)?shù)組元的體積分?jǐn)?shù)；第二相的形態(tài)，即顆粒狀、片狀或纖維狀第二相的形態(tài)，即顆粒狀、片狀或纖維狀；第二相組元的尺寸，即直徑、長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑第二相組元的尺寸，即直徑、長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑比比；纖維軸相對(duì)于加載方向的取向纖維軸相對(duì)于加載方向的取向。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高

17、性能陶瓷基復(fù)合材料改善斷裂韌性Kc的方法（3）相變?cè)鲰g（3 3）相變?cè)鲰g）相變?cè)鲰g（Phase Transformation） 基體中裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)引起裂紋尖端附近的基體中裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)引起裂紋尖端附近的基體發(fā)生相變，亦稱應(yīng)力誘導(dǎo)相變，當(dāng)相變?cè)旎w發(fā)生相變，亦稱應(yīng)力誘導(dǎo)相變，當(dāng)相變?cè)斐审w積膨脹時(shí)，它會(huì)擠壓裂紋使之閉合。從而成體積膨脹時(shí)，它會(huì)擠壓裂紋使之閉合。從而改善斷裂韌性。改善斷裂韌性。 氧化鋯（氧化鋯（ZrO2）具有相變?cè)鲰g特點(diǎn)。具有相變?cè)鲰g特點(diǎn)。 相變?cè)鲰g不是高溫增韌機(jī)制。相變?cè)鲰g不是高溫增韌機(jī)制。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7

18、.1.3 陶瓷和玻璃陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)7.1.3.1 現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)7.1.3.2 玻璃相7.1.3.3 間隙相和固溶體國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.3.1 現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)(Crystal structure of Modern Ceramic) 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)由結(jié)晶相和玻璃相組成，其比陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)由結(jié)晶相和玻璃相組成，其比例隨品種而異。現(xiàn)代陶瓷晶體結(jié)構(gòu)主要包括：例隨品種而異?，F(xiàn)代陶瓷晶體結(jié)構(gòu)主要包括： 簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu) 密排立方結(jié)構(gòu)密排立方結(jié)構(gòu) 密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu) 晶胞中的間隙有晶胞中的間隙有5 5種種：立方體

19、間隙、八面：立方體間隙、八面體間隙、四面體間隙、三角形間隙和啞鈴形間體間隙、四面體間隙、三角形間隙和啞鈴形間隙。隙。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-3 晶胞中的間隙形式國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（1）簡(jiǎn)單立方（1 1）簡(jiǎn)單立方）簡(jiǎn)單立方（simple cubic）氯化銫氯化銫（CsCl ）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Cl-和和Cs+各自構(gòu)成立方點(diǎn)陣，并相互占據(jù)對(duì)方的各自構(gòu)成立方點(diǎn)陣，并相互占據(jù)對(duì)方的六面體（立方體）間隙。六面體（立方體）間隙。簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的陶瓷不常見。簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的

20、陶瓷不常見。屬于簡(jiǎn)單立方屬于簡(jiǎn)單立方（CsCl型型）結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：CsBr、CsI、CsCl、RbI（常壓下不存在）。常壓下不存在）。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-4 CsCl型晶體結(jié)構(gòu)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)（2 2）密排立方）密排立方（Close packed cubic）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)密排立方密排立方結(jié)構(gòu)包括：結(jié)構(gòu)包括： 氯化鈉型氯化鈉型（NaCl type） 閃鋅礦（立方硫化鋅）型閃鋅礦（立方硫化鋅）型(cubic

21、ZnS) type 螢石（氟化鈣）型螢石（氟化鈣）型fluorite (CaF2) type 逆螢石型逆螢石型（athwart fluorite type） 尖晶石型尖晶石型spineles type(AB2O4) - -方石英型方石英型( - cristobalite type）國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)1）NaCl型的結(jié)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)Cl-（半徑大）呈面心立方點(diǎn)陣；半徑大）呈面心立方點(diǎn)陣；Na+占據(jù)面心立方的八面體間隙。占據(jù)面心立方的八面體間隙。屬于屬于NaCl型的結(jié)構(gòu)陶瓷主要有型的結(jié)構(gòu)陶瓷主要有：M

22、gO、CaO、FeO、NiO、MnO、BaO、CdO、TiN、LaN、SiN、CrN、ZrN、TiC、NaCl。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-5 密排立方結(jié)構(gòu)（NaCl型結(jié)構(gòu)）示意圖國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)2）閃鋅礦閃鋅礦(ZnS)型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)S-占據(jù)面心立方點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)；占據(jù)面心立方點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)；Zn2+占據(jù)面心立方四面體間隙占據(jù)面心立方四面體間隙（4/8）。）。屬于屬于AB型化合物。型化合物。屬于閃鋅礦屬于閃鋅礦(ZnS)型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有

23、型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：CBN、CaAs、 -SiC、AlP、InSb、ZnS。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-6 密堆立方結(jié)構(gòu)閃鋅礦(ZnS)型結(jié)構(gòu)示意圖國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)3）螢石（氟石）型螢石（氟石）型(CaF2)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Ca2+ +（半徑大）占據(jù)面心立方點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)位置；（半徑大）占據(jù)面心立方點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)位置；F-占據(jù)面心立方全部四面體間隙占據(jù)面心立方全部四面體間隙（8/8）。）。屬于螢石（氟石）型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要是陽(yáng)離子原屬于螢石（氟石）

24、型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要是陽(yáng)離子原子半徑較大的氟石型晶體：如子半徑較大的氟石型晶體：如ZrO2、ThO2、CeO2、CaF2。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-7 螢石（氟石）型(CaF2)結(jié)構(gòu)Ca2+F-國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)4）逆螢石型結(jié)構(gòu)）逆螢石型結(jié)構(gòu) 當(dāng)陽(yáng)離子半徑小于陰離子時(shí)形成的螢石當(dāng)陽(yáng)離子半徑小于陰離子時(shí)形成的螢石型結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)。 屬于逆螢石型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有屬于逆螢石型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：Li2O、K2O、Na2O、Rb2O。國(guó)防科學(xué)技術(shù)

25、大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)5)5)尖晶石型尖晶石型（spineles type)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 直徑大的直徑大的O2-占據(jù)面心立方的結(jié)點(diǎn)占據(jù)面心立方的結(jié)點(diǎn)； Mg2+占據(jù)面心立方四面體間隙占據(jù)面心立方四面體間隙（1/8）；）； Al3+占據(jù)面心立方的八面體間隙占據(jù)面心立方的八面體間隙（1/2）；）； 在在8 8個(gè)相鄰的立方體中，個(gè)相鄰的立方體中，A、B塊相間排列；塊相間排列； 在在A中，有兩個(gè)中，有兩個(gè)Mg2+，而在而在B中沒有中沒有Mg2+； 在在A中的中的Al3+與與B B中的中的Al3+的不重復(fù)，其位置相互錯(cuò)的不

26、重復(fù)，其位置相互錯(cuò)開。開。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu) 具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的陶瓷有具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的陶瓷有：MgAl2O4、MnAl2O4、FeAl2O4等。等。 缺位尖晶石：如缺位尖晶石：如 -Al2O3(Al2/3Al2O4)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料A塊B塊圖7-8 尖晶石(MgAl2O4)型晶體結(jié)構(gòu)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)6 6） - -方石英

27、結(jié)構(gòu)方石英結(jié)構(gòu) 直徑小的直徑小的Si4+占據(jù)面心立方的結(jié)點(diǎn)和占據(jù)面心立方的結(jié)點(diǎn)和4 4個(gè)個(gè)小立方體的中心；小立方體的中心； O2-在兩個(gè)在兩個(gè)Si4+中間。中間。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-9 -方石英結(jié)構(gòu)Si4+O2-國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（2）密排立方結(jié)構(gòu)圖7-10 -方石英結(jié)構(gòu)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（3）密排六方結(jié)構(gòu)（3 3）密排六方）密排六方（haxagonal cl

28、ose-packed）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 剛玉型剛玉型（Corundun type） -Al2O3 纖鋅礦（六方硫化鋅）型纖鋅礦（六方硫化鋅）型(haxagonal ZnS，簡(jiǎn)記為簡(jiǎn)記為h- ZnS type） 砷化鎳型砷化鎳型nickel arsenid(NiAs) type國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（3）密排六方結(jié)構(gòu)1 1）剛玉結(jié)構(gòu)）剛玉結(jié)構(gòu) O2-呈六方排列呈六方排列；Al3+占據(jù)八面體間隙（占據(jù)八面體間隙（2/32/3）每一個(gè)每一個(gè)hcphcp晶胞中有晶胞中有4 4個(gè)個(gè)Al3+； A A、B B層由層由O2-組成組成，C

29、1、C2和和C3層層Al3+，占占2/3。 具有剛玉結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有具有剛玉結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有： -Al2O3、 -Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、Ga2O3、Rh2O3、FeTiO3、LiSbO3。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-11 密排六方結(jié)構(gòu)（剛玉結(jié)構(gòu)）示意圖C1C2C3O2-Al3+國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（3）密排六方結(jié)構(gòu)2）纖鋅礦纖鋅礦（h-ZnS)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) S2-呈密排六方結(jié)構(gòu)；呈密排六方結(jié)構(gòu)； Zn2+占據(jù)密排六方結(jié)構(gòu)的四面體間隙

30、占據(jù)密排六方結(jié)構(gòu)的四面體間隙（4/8）；）； 具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：h-BN、h-ZnS、AlN、BeO、ZnO。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-12 密排六方結(jié)構(gòu)纖鋅礦（h-ZnS)結(jié)構(gòu)示意圖S2-國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)代陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)（3）密排六方結(jié)構(gòu)3 3）砷化鎳）砷化鎳(NiAs)型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) Ni2+占據(jù)密排六方晶格結(jié)構(gòu)；占據(jù)密排六方晶格結(jié)構(gòu)； 將密排六方晶格看成重疊的兩個(gè)六方棱柱，將密排六方晶格看成重疊的兩個(gè)六方棱柱，As2-在上

31、、下棱柱中心層排布，但俯視時(shí)卻不在上、下棱柱中心層排布，但俯視時(shí)卻不重疊。重疊。 具有具有砷化鎳砷化鎳型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：型結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有：FeS、FeSe、CoSe、NiAs。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料圖7-13 密排六方結(jié)構(gòu)砷化鎳(NiAs)型結(jié)構(gòu)示意圖國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.3.2 玻璃相玻璃相玻璃相(glass phase)的作用的作用 ： 在陶瓷結(jié)構(gòu)中，結(jié)晶相占在陶瓷結(jié)構(gòu)中，結(jié)晶相占95%98%，其其余為玻璃相。余為玻璃相。 通過(guò)在熔化加工過(guò)程中加入形核劑（

32、通通過(guò)在熔化加工過(guò)程中加入形核劑（通常是常是TiO2和和ZrO2）并控制結(jié)晶，就能獲）并控制結(jié)晶，就能獲得晶粒直徑小于得晶粒直徑小于1 m的細(xì)晶粒組織。的細(xì)晶粒組織。 玻璃相中的質(zhì)點(diǎn)無(wú)規(guī)則排列（近程有玻璃相中的質(zhì)點(diǎn)無(wú)規(guī)則排列（近程有序），屬于過(guò)冷液體。序），屬于過(guò)冷液體。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料玻璃相 玻璃相處于晶界，是影響陶瓷性能的重玻璃相處于晶界，是影響陶瓷性能的重要顯微組成。因此，提高晶界的結(jié)晶化要顯微組成。因此，提高晶界的結(jié)晶化程度非常重要。程度非常重要。 提高晶界的結(jié)晶化程度、減少玻璃相的提高晶界的結(jié)晶化程度、減少玻璃相的研

33、究稱為研究稱為晶界工程晶界工程(grain boundary engineering)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.3.3 間隙相和固溶體（Interstitial phase and solid solutions） 固溶體很少間隙型，因?yàn)檎５拈g隙位固溶體很少間隙型，因?yàn)檎５拈g隙位置已被溶質(zhì)原子填滿。置已被溶質(zhì)原子填滿。 引入溶質(zhì)原子后，擾亂了電中性，只能引入溶質(zhì)原子后，擾亂了電中性，只能由空位來(lái)調(diào)節(jié)平衡電荷。如由空位來(lái)調(diào)節(jié)平衡電荷。如FeO是是NaCl型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e2+與與O2-離子數(shù)量相等，當(dāng)由離子數(shù)量相等，當(dāng)由兩個(gè)

34、兩個(gè)Fe3+代替代替Fe2+時(shí)時(shí)，將形成一個(gè)鐵離子將形成一個(gè)鐵離子空位?？瘴?。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.4 常用陶瓷基體材料7.1.4.1 氧化物陶瓷7.1.4.2 氮化物陶瓷7.1.4.3 碳化物及碳陶瓷7.1.4.4 玻璃陶瓷及其他陶瓷國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.4.1 氧化物陶瓷（Oxide Ceramics） （1 1）氧化鋁）氧化鋁（Al2O3）陶瓷陶瓷(Alumina ceramic) 以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化

35、鋁陶瓷。瓷。 根據(jù)主晶相不同，氧化鋁陶瓷可分為：根據(jù)主晶相不同，氧化鋁陶瓷可分為：剛玉瓷剛玉瓷剛玉剛玉莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷1 1）剛玉瓷）剛玉瓷(Corundum) 主晶相主晶相為為 -Al2O3，穩(wěn)定晶型，穩(wěn)定晶型，六方晶系。六方晶系。 性能：熔點(diǎn)性能：熔點(diǎn)2050，密度密度3.94.1g/cm3， 低低， 高，導(dǎo)熱性好，抗熱震性高，抗高，導(dǎo)熱性好，抗熱震性高，抗擊穿電壓值高，絕緣性好，耐堿和氫氟擊穿電壓值高，絕緣性好，耐堿和氫氟酸（室溫）。酸（室溫）。 高純剛玉瓷牌號(hào)高純剛玉瓷牌號(hào)99

36、958575 99958575 （熔熔點(diǎn)降低方向）。點(diǎn)降低方向）。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷2 2）剛玉）剛玉莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷(Corundum-Mullite) 主晶相為主晶相為 -Al2O3-3Al2O32SiO2, 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) =410-6/ (20100)。3 3）莫來(lái)石瓷）莫來(lái)石瓷(Mullite) 主晶相為主晶相為3Al2O32SiO2,斜方晶系。斜方晶系。 熔點(diǎn)熔點(diǎn)1810，密度密度3.23g/cm3,含適量粘土，含適量粘土，具有可塑性。具有可塑性。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷

37、基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷 氧化鋁的性能氧化鋁的性能：耐熱、電絕緣、高硬度、：耐熱、電絕緣、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定和低價(jià)格?；瘜W(xué)穩(wěn)定和低價(jià)格。 氧化鋁陶瓷的應(yīng)用氧化鋁陶瓷的應(yīng)用：高溫工程中用于高：高溫工程中用于高溫管、板、模具、鈉燈透明管、耐磨件溫管、板、模具、鈉燈透明管、耐磨件（如導(dǎo)輪和噴嘴）、機(jī)械密封件和切削（如導(dǎo)輪和噴嘴）、機(jī)械密封件和切削刀具。刀具。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料在莫來(lái)石基在莫來(lái)石基質(zhì)中分布的質(zhì)中分布的柱狀和粒狀柱狀和粒狀剛玉，其間剛玉，其間少許少許Al2TiO5，幾乎沒有玻幾乎沒有玻璃相。璃相。圖7-14

38、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷（2）氧化鋯氧化鋯（ZrO2）陶瓷陶瓷（Zirconia ceramic) 以氧化鋯以氧化鋯（ZrO2）為主要成分的陶瓷稱為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。為氧化鋯陶瓷。 性能：密度性能：密度5.65.65.9g/cm5.9g/cm3 3, , 熔點(diǎn)為熔點(diǎn)為26802680。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷 ZrO2由熔點(diǎn)冷卻結(jié)晶為由熔點(diǎn)冷卻結(jié)晶為立方相立方相(c)，至，至2370轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗨姆较?t), 再至再至1070存在存在四方

39、相四方相單單斜斜相相(m)(m)轉(zhuǎn)變，屬于馬氏體相變，并伴隨有轉(zhuǎn)變，屬于馬氏體相變，并伴隨有3%3%4%4%體積膨脹，燒結(jié)時(shí)容易引起開裂。體積膨脹，燒結(jié)時(shí)容易引起開裂。 因此常采用因此常采用CaO、MgO或或Y2O3作穩(wěn)定劑，使作穩(wěn)定劑，使氧化鋯冷至室溫仍全部或部分保持穩(wěn)定的立方氧化鋯冷至室溫仍全部或部分保持穩(wěn)定的立方相，稱為穩(wěn)定的相，稱為穩(wěn)定的ZrO2。如如Ca-PSZ,Y-PSZ,Mg-PSZ等。等。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷 全部穩(wěn)定氧化鋯全部穩(wěn)定氧化鋯(TZP)是指相組成由絕對(duì)零度是指相組成由絕對(duì)零度至凝固區(qū)域都為單相

40、。但抗熱震性差，在工程至凝固區(qū)域都為單相。但抗熱震性差，在工程上較少使用。上較少使用。 部分穩(wěn)定氧化鋯部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)是在立方相中加入適量是在立方相中加入適量的合金元素（即穩(wěn)定劑）后，還保留一部分可的合金元素（即穩(wěn)定劑）后，還保留一部分可產(chǎn)生產(chǎn)生tm相變的單斜相氧化鋯，使其抗熱震性相變的單斜相氧化鋯，使其抗熱震性得到改善，成為一類重要的工程陶瓷。得到改善，成為一類重要的工程陶瓷。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷 氧化鋯具有高強(qiáng)度、高硬度和高的耐化學(xué)腐蝕氧化鋯具有高強(qiáng)度、高硬度和高的耐化學(xué)腐蝕性；性； 氧化鋯的韌性在所有的陶瓷

41、中是最高的。氧化鋯的韌性在所有的陶瓷中是最高的。 應(yīng)用其耐磨損性能，制作拉絲模、軸承、密封應(yīng)用其耐磨損性能，制作拉絲模、軸承、密封件和替代人骨等；件和替代人骨等； 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中作活塞頂、缸蓋底板和汽缸內(nèi)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中作活塞頂、缸蓋底板和汽缸內(nèi)襯。襯。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料7.1.4.2 氮化物陶瓷 氮化物陶瓷主要是氮與過(guò)渡族金屬（如氮化物陶瓷主要是氮與過(guò)渡族金屬（如鈦釩、鈮、鋯、鉭和鉿）的化合物。鈦釩、鈮、鋯、鉭和鉿）的化合物。 另一類是另一類是賽隆賽?。╯ialon）(Si-Al-O-N)陶瓷，陶瓷，它在氮化硅中固溶進(jìn)鋁和氧，但

42、仍保持它在氮化硅中固溶進(jìn)鋁和氧，但仍保持Si3N4結(jié)構(gòu)的氮化物陶瓷。結(jié)構(gòu)的氮化物陶瓷。 主要介紹氮化硅、氮化硼和氮化鋁陶瓷主要介紹氮化硅、氮化硼和氮化鋁陶瓷國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氮化物陶瓷（1）氮化硅）氮化硅（Si3N4）陶瓷陶瓷(silicon nitride ceramic） 氮化硅是共價(jià)鍵化合物，屬六方晶系，氮化硅是共價(jià)鍵化合物，屬六方晶系，具有具有 - -晶型和晶型和 - -晶型兩種結(jié)構(gòu)。其化學(xué)晶型兩種結(jié)構(gòu)。其化學(xué)成分和密度相同，均是六方體。成分和密度相同，均是六方體。 不同的是：不同的是： - -型的型的c c軸大約是軸大

43、約是 - -型的兩型的兩倍。倍。 氮化硅的升華分解溫度為氮化硅的升華分解溫度為19001900，理論，理論密度為密度為3.44g/cm3.44g/cm3 3。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氮化物陶瓷 由于由于Si-N高度共價(jià)的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)度高，高度共價(jià)的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)度高，屬屬難燒結(jié)物質(zhì)難燒結(jié)物質(zhì)。 根據(jù)制備方法不同將氮化硅陶瓷分為根據(jù)制備方法不同將氮化硅陶瓷分為反反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷和和熱壓燒結(jié)氮化硅陶熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷。瓷。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料1）反應(yīng)燒結(jié)氮化硅

44、（RBSN）反應(yīng)燒結(jié)氮化硅反應(yīng)燒結(jié)氮化硅 (reaction sintering silicon nitride,RBSN)的制備的制備過(guò)程過(guò)程: : 硅粉與氮化硅粉混合硅粉與氮化硅粉混合（mix powder Si and Si3N4）預(yù)成型預(yù)成型（pre-moulding）預(yù)氮化預(yù)氮化（pre-nitridation ）(1200)二次氮化二次氮化（again nitridation ）(13501450)。得到得到-Si3N4和和 - Si3N4的混合物的混合物。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（RBSN） 氮化硅形成時(shí)伴

45、隨有氮化硅形成時(shí)伴隨有21.7%的體積膨脹的體積膨脹（have volume expand with 21.7% during reaction )，與正常的燒結(jié)體積收，與正常的燒結(jié)體積收縮縮（volume shrinkage during sinter）幾乎相互抵消，故稱為不收縮燒結(jié)工藝幾乎相互抵消，故稱為不收縮燒結(jié)工藝 。 這種產(chǎn)品稱為這種產(chǎn)品稱為無(wú)收縮氮化硅無(wú)收縮氮化硅（without shrinkage Si3N4）。）。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（RBSN） 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅也可通過(guò)硅粉氮化來(lái)制反應(yīng)燒結(jié)氮化硅也可通

46、過(guò)硅粉氮化來(lái)制備，氮化反應(yīng)強(qiáng)烈放熱。反應(yīng)式為備，氮化反應(yīng)強(qiáng)烈放熱。反應(yīng)式為3Si+2N2Si3N4 RBSN的顯微結(jié)構(gòu)由針狀的的顯微結(jié)構(gòu)由針狀的-Si3N4 、等、等軸狀的軸狀的 - Si3N4 、游離硅、雜質(zhì)和氣孔、游離硅、雜質(zhì)和氣孔（15%30%）組成。）組成。 氣孔形狀有相互連通的小氣孔和獨(dú)立的氣孔形狀有相互連通的小氣孔和獨(dú)立的大氣孔。前者尺寸為大氣孔。前者尺寸為0.01 m1.0 m,后后者尺寸為者尺寸為50 m。大氣孔的形成與雜質(zhì)相。大氣孔的形成與雜質(zhì)相有關(guān)。有關(guān)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料2）熱壓氮化硅（HPSN） 熱壓氮化

47、硅熱壓氮化硅 (heat pressing silicon nitride,HPSN)是采用同時(shí)加溫和單軸加壓是采用同時(shí)加溫和單軸加壓的制造工藝制成的氮化硅陶瓷。加熱方式為的制造工藝制成的氮化硅陶瓷。加熱方式為感應(yīng)加熱，采用石墨模具。工藝過(guò)程為感應(yīng)加熱，采用石墨模具。工藝過(guò)程為 粉末粉末Si3N4 +1wt% MgO放入石墨坩堝放入石墨坩堝（graphite crucible） 燒結(jié)燒結(jié)（sintering）(16501850,1530MPa，14h)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料熱壓氮化硅（HPSN）加入加入MgO的作用的作用:MgO與

48、與SiO2膜作用膜作用 生成熔融硅酸鎂生成熔融硅酸鎂（melting silicon acid magnesium） 使氮化硅高度致密化使氮化硅高度致密化（high densification extent ），達(dá)到理論密度達(dá)到理論密度(academic density)的的99% 。抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 = 8001000MPa國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料熱壓氮化硅（HPSN） 熱壓氮化硅只局限于制備形狀簡(jiǎn)單的熱壓氮化硅只局限于制備形狀簡(jiǎn)單的（如圓柱形）實(shí)體坯件。（如圓柱形）實(shí)體坯件。 熱壓氮化硅制品必須經(jīng)過(guò)機(jī)械加工才能熱壓氮化硅制品必須經(jīng)

49、過(guò)機(jī)械加工才能達(dá)到要求的形狀和尺寸。達(dá)到要求的形狀和尺寸。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料3 3）賽隆）賽隆(sialon) 選擇一種組分能使添加劑溶入氮化硅晶選擇一種組分能使添加劑溶入氮化硅晶格形成單相固溶體，稱為氮化硅的格形成單相固溶體，稱為氮化硅的“合合金化金化”。 在加入氧化鋁的熱壓氮化硅中，在加入氧化鋁的熱壓氮化硅中， -Si3N4晶格中的晶格中的Si4+和和N3-可被可被Al3+和和O2-所取代。所取代。 以以(Si,Al)(O,N)四面體為結(jié)構(gòu)單元形成一四面體為結(jié)構(gòu)單元形成一系列包括玻璃相和晶相的新材料。稱為系列包括玻璃相和晶相

50、的新材料。稱為賽隆賽隆(sialon) 。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料賽隆(sialon) -sialon單位晶胞的組成為單位晶胞的組成為MxSi12-(m+n)Slm+nOnN16-n其中，其中，x2;m和和n表明結(jié)構(gòu)中取代的程度。表明結(jié)構(gòu)中取代的程度。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的性能特點(diǎn)：氮化硅陶瓷的性能特點(diǎn)： 熱膨脹系數(shù)低（熱膨脹系數(shù)低（2.75 10-6/K) 高強(qiáng)度高強(qiáng)度（high strength）; 高彈性模量高彈性模量（high elastic

51、modulus）; 耐磨耐磨（milling resistance）; 耐腐蝕耐腐蝕（well corrosion resistance）; 抗氧化抗氧化（well oxidation resistance），至至1200不發(fā)生氧化且強(qiáng)度不下降不發(fā)生氧化且強(qiáng)度不下降 。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料（2 2）氮化硼陶瓷）氮化硼陶瓷 以氮化硼以氮化硼(BN)為主要成分的陶瓷稱為氮為主要成分的陶瓷稱為氮化硼陶瓷化硼陶瓷(boron nitride ceramic) 氮化硼是共價(jià)鍵化合物，有立方和六方氮化硼是共價(jià)

52、鍵化合物，有立方和六方兩種晶型結(jié)構(gòu)。兩種晶型結(jié)構(gòu)。 六方晶系六方晶系BN具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)。具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)。有潤(rùn)滑性且硬度低，故稱有潤(rùn)滑性且硬度低，故稱“白石墨白石墨”； 立方晶系立方晶系BN與金剛石硬度相近，但比金與金剛石硬度相近，但比金剛石更耐高溫和更抗氧化。剛石更耐高溫和更抗氧化。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氮化硼陶瓷 常用的六方常用的六方BN陶瓷用高溫?zé)釅悍ㄖ苽?。陶瓷用高溫?zé)釅悍ㄖ苽洹?通過(guò)不同的原料和添加劑可以調(diào)節(jié)通過(guò)不同的原料和添加劑可以調(diào)節(jié)BN陶陶的性能。的性能。 適合于在適合于在900以下的氧化氣氛中和在以下的

53、氧化氣氛中和在2800 以下的氮?dú)夂投栊詺夥罩惺褂?。以下的氮?dú)夂投栊詺夥罩惺褂谩?guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氮化硼陶瓷BN陶瓷的性能陶瓷的性能: 莫氏硬度為莫氏硬度為2； 升華分解溫度為升華分解溫度為3000； 理論密度理論密度2.27g/cm3； 強(qiáng)度和模量均較低；強(qiáng)度和模量均較低； 熱膨脹系數(shù)低（約熱膨脹系數(shù)低（約6 10-6/K），熱穩(wěn)定性好；），熱穩(wěn)定性好； 耐酸、堿、金屬、砷化鎵和玻璃熔渣侵蝕；耐酸、堿、金屬、砷化鎵和玻璃熔渣侵蝕； 對(duì)大多數(shù)金屬和玻璃熔體不反應(yīng)。對(duì)大多數(shù)金屬和玻璃熔體不反應(yīng)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高

54、性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料（3）氮化鋁陶瓷 以氮化鋁以氮化鋁(AlN)為主要成分的陶瓷稱為氮化鋁陶為主要成分的陶瓷稱為氮化鋁陶瓷瓷(aluminum nitride ceramic)。 AlN屬于六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其屬于六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其N原子為六方原子為六方密堆結(jié)構(gòu)，面密堆結(jié)構(gòu)，面Al原子占據(jù)原子占據(jù)1/2四面體間隙位置。四面體間隙位置。 制備氮化鋁陶瓷的方法是以氮化鋁粉為原料，加制備氮化鋁陶瓷的方法是以氮化鋁粉為原料，加入入CaO、和、和Y2O3和稀土氧化物作為添加劑，干和稀土氧化物作為添加劑，干壓成型或流延成型成為薄片后再?zèng)_壓，最后在氮壓成型或流延成型成為薄片

55、后再?zèng)_壓，最后在氮?dú)庵小庵小?6501900 燒結(jié)。燒結(jié)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷的性能：氮化鋁陶瓷的性能： 熔點(diǎn)熔點(diǎn)2400；升華溫度為；升華溫度為2450； 理論密度為理論密度為3.26g/cm3; 熱膨脹系數(shù)為熱膨脹系數(shù)為(4.036.09) 10-6/K; 當(dāng)含當(dāng)含4.2wt%Y2O3添加劑時(shí)，熱導(dǎo)率可到添加劑時(shí)，熱導(dǎo)率可到160w/(mK); 能耐能耐2200至至20的急冷急熱；的急冷急熱； 耐熔融鋁、砷化鎵侵蝕。耐熔融鋁、砷化鎵侵蝕。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性

56、能陶瓷基復(fù)合材料7.1.4.3 碳化物及碳陶瓷 碳化物碳化物陶瓷是硅、鈦及其他過(guò)渡族金屬陶瓷是硅、鈦及其他過(guò)渡族金屬碳化物的總稱（如碳化硅、碳化鋯、碳碳化物的總稱（如碳化硅、碳化鋯、碳化鉻、碳化鎢、碳化鈦和碳）?；t、碳化鎢、碳化鈦和碳）。 碳碳也是陶瓷基復(fù)合材料的一類重要基體也是陶瓷基復(fù)合材料的一類重要基體材料。材料。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料碳化物及碳陶瓷（1）碳化硅陶瓷 （1）碳化硅陶瓷 以碳化硅（SiC）為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷(silicon carbide ceramic）。 SiC有-、-兩種晶型。 - SiC為高溫

57、型，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)；- SiC為低溫型，立方結(jié)構(gòu)。 Si-C鍵屬于典型的共價(jià)鍵結(jié)合。 分解溫度為2600，密度為3.17g/cm3。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷的制造方法主要有反應(yīng)燒結(jié)、碳化硅陶瓷的制造方法主要有反應(yīng)燒結(jié)、常壓燒結(jié)、液相燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。常壓燒結(jié)、液相燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。 利用化學(xué)氣相沉積和高溫自蔓延燃燒合利用化學(xué)氣相沉積和高溫自蔓延燃燒合成以及有機(jī)先驅(qū)體高溫?zé)峤廪D(zhuǎn)化法也可成以及有機(jī)先驅(qū)體高溫?zé)峤廪D(zhuǎn)化法也可以形成碳化硅陶瓷。以形成碳化硅陶瓷。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體

58、材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷的特點(diǎn)：碳化硅陶瓷的特點(diǎn)： 高硬度高硬度（high hardness）; 優(yōu)異的抗氧化性優(yōu)異的抗氧化性（skyscraping oxidation resistance），強(qiáng)度保持到，強(qiáng)度保持到1600; 良好的耐腐蝕性良好的耐腐蝕性（well corrosion resistance）; 熱膨脹系數(shù)低熱膨脹系數(shù)低（ - SiC為為4.7 10-6/K, - SiC為為 4.35 10-6/K）；）；國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料碳化硅陶瓷的特點(diǎn) 最佳的力學(xué)性能最佳的力學(xué)性能（optimal m

59、echanics performance）; 導(dǎo)電和導(dǎo)熱性導(dǎo)電和導(dǎo)熱性（Conductivity and conductance heat）； 抗磨損性高，摩擦系數(shù)低?？鼓p性高，摩擦系數(shù)低。碳化硅陶瓷的碳化硅陶瓷的缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 在高溫和所有環(huán)境下在高溫和所有環(huán)境下都很脆都很脆（high brittleness at high temperature and any environment）國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料碳化物及碳陶瓷（2）碳化鋯陶瓷（2 2）碳化鋯）碳化鋯陶瓷陶瓷 以碳化鋯以碳化鋯(ZrC)為主晶相的陶瓷稱為碳化為主晶相的陶

60、瓷稱為碳化鋯陶瓷鋯陶瓷(zirconium carbide ceramic)。 ZrC屬面心立方晶格，熔點(diǎn)屬面心立方晶格，熔點(diǎn)3530，密度密度為為6.66g/cm3,熱膨脹系數(shù)為熱膨脹系數(shù)為6.74 10-6/K,彈彈性模量為性模量為347.9GPa,開始強(qiáng)烈氧化溫度為開始強(qiáng)烈氧化溫度為11001400 。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)陶瓷基體材料和高性能陶瓷基復(fù)合材料碳化鋯陶瓷碳化鋯陶瓷的制造：碳化鋯陶瓷的制造： 以碳還原氧化鋯以碳還原氧化鋯(ZrO2）制得）制得ZrC粉末；粉末； 再將粉末預(yù)成型體高溫?zé)Y(jié)得到再將粉末預(yù)成型體高溫?zé)Y(jié)得到ZrC陶瓷。陶瓷。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大