第十章陶瓷材料

1、第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料CeramicsCeramics自然界中的材料品種繁多自然界中的材料品種繁多,并且各具特色并且各具特色,人們通常將材料分為人們通常將材料分為: 金屬材料 無機非金屬材料 高分子材料 為什么陶瓷材料缺乏韌性, 不能變形,或者說變形能力很差?第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 陶瓷中化合物的離子鍵及共價鍵表8.1 部分陶瓷化合物的離子鍵與共價鍵的比例陶瓷化合物 原子 負電性差 離子鍵% 共價鍵% MgO Mg-O 2.3 73 27 Al2O3 Al-O 2.0 63 37 SiO2 Si O 1.7 51 49 Si3N4 Si N 1.2 30 70 SiC Si -

2、C 0.7 11 89第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)二 離子晶體的結(jié)構(gòu)在離子晶體中, 離子的堆垛方式主要決定于兩方面的因素 離子間尺寸差的大小; 配位數(shù)的大小,即離子晶體要保持其電中性所需的負離子數(shù).陽離子陰離子第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)臨界半徑比臨界半徑比: : 陽離子與陰離子剛好接觸時,陽離子半徑與陰離子半徑比.第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)三 CsCl的晶體結(jié)構(gòu)(CsBr, TlCl, TlBr)圖8.3 CsCl的晶體結(jié)構(gòu)(a)離子的坐標位置示意圖及(b)原子模型。晶體中8個Cl-離子圍繞一個Cs+離子即配位數(shù)為8，而在這個單胞中只有一個Cl-離子和一個Cs+離子 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)四

3、 NaCl的晶體結(jié)構(gòu) (MgO,CaO,NiO,FeO)圖8.4 (a) NaCl晶體中Na+離子(半徑=0.102nm)和Cl-離子(半徑=0.181nm)的位置，(b) 6個Cl-離子包圍1個Na+離子形成一個八面體第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)五 ZnS的晶體結(jié)構(gòu)圖8.8 ZnS晶體結(jié)構(gòu)很多半導體化合物如:CaS, InAs, InSb ZnSe都具有ZnS的晶體結(jié)構(gòu)第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)六 CaF2的晶體結(jié)構(gòu)圖8.9 CaF2的晶體結(jié)構(gòu) 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)七 剛玉(Al2O3)的晶體結(jié)構(gòu)圖8.9 Al2O3的晶體結(jié)構(gòu) 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)八 鈣太礦結(jié)構(gòu)圖8.9 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

4、 陶瓷材料中的晶格缺陷一 點缺陷第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 點缺陷 ( Frankel & Schottky 缺陷)圖8.9 CaF2的晶體結(jié)構(gòu) 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 點缺陷第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 點缺陷圖8.9 CaF2的晶體結(jié)構(gòu) 第2節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程陶瓷的生產(chǎn)過程陶瓷的生產(chǎn)過程粉末 混料 成型 脫成型劑 燒結(jié) 第2節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程 燒結(jié)燒結(jié) 燒結(jié)過程示意圖第2節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程 陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)晶體相: 陶瓷材料的主體, Al2O3, ZrO2玻璃相: 通常是陶瓷的連接相, MgO氣相: 一般是殘留物, 它也是影響陶瓷材料性能的因素第3節(jié)

5、 陶瓷材料的力學性能 陶瓷材料相對來說是比較脆的,而且其力學性能變化范圍較大一一 陶瓷材料的變形機制陶瓷材料的變形機制 NaCl晶體中兩個不同滑移系示意圖第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能二 影響陶瓷材料強度的因素1.空隙: 陶瓷中空隙是產(chǎn)生應力集中的地方2.裂紋: 也是影響陶瓷強度的一個重要因素3.溫度與環(huán)境: 溫度與環(huán)境也是影響陶瓷材料的因素第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能二 陶瓷空隙度對材料性能的影響第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能三 陶瓷材料的增韌途徑 相變增韌:利用ZrO2增韌陶瓷,是通過四方相ZrO2(t- ZrO2)轉(zhuǎn)變成單斜相ZrO2(m- ZrO2)時,即馬氏體相變來實現(xiàn)的.t-ZrO2 m-

6、ZrO2 這一相變過程伴隨著35%的體積變化如: YSZ陶瓷, ZTA陶瓷第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能 相變增韌第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能 微裂紋增韌部分穩(wěn)定陶瓷在由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變時, 由于體積膨脹而導致產(chǎn)生微裂紋, 而這些微裂紋并非是集中在某一定的方向,而是非常細小分布在不同的方向,這樣的微裂紋就可起到吸收能量的作用,使陶瓷增韌.第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能 剛度高，硬度高剛度高，硬度高 因陶瓷材料的結(jié)合鍵非常牢固，彈性模量高，故其具因陶瓷材料的結(jié)合鍵非常牢固，彈性模量高，故其具有很高的有很高的 剛度剛度。又因陶瓷材料含有大量高硬度的化合物。又因陶瓷材料含有大量高硬度的化合物組分，所以具有高

7、硬度和優(yōu)良的耐磨性。組分，所以具有高硬度和優(yōu)良的耐磨性。 塑性差，韌性差塑性差，韌性差 陶瓷為硬脆材料，塑性韌性均很低，極易發(fā)生脆性斷陶瓷為硬脆材料，塑性韌性均很低，極易發(fā)生脆性斷裂。裂。 強度強度 陶瓷材料有陶瓷材料有高的抗彎、抗壓強度高的抗彎、抗壓強度，但因受其組織成分，但因受其組織成分各種缺陷的影響，抗拉強度不高。提高陶瓷材料的致密各種缺陷的影響，抗拉強度不高。提高陶瓷材料的致密度，細化晶粒，可以提高陶瓷材料的抗拉強度。度，細化晶粒，可以提高陶瓷材料的抗拉強度。第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能ZrO2含量的影響0200400600800100005101520ZrO2, Vol%抗彎強度,MN

8、m-20102030405060708090100沖擊韌性，Jm-2抗彎強度沖擊韌性第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能012345678900.51ZrO2含量， Vol%斷裂韌性，MNm3/2四方相立方相第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能ZrO2含量的影響0200400600800100005101520ZrO2, Vol%抗彎強度,MNm-20102030405060708090100沖擊韌性，Jm-2抗彎強度沖擊韌性第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能第3節(jié) 陶瓷材料的力學性能第4節(jié) 陶瓷材料的物理性能熱性能熱性能 陶瓷材料的熔點高陶瓷材料的熔點高，熱膨脹系數(shù)低

9、，具，熱膨脹系數(shù)低，具有優(yōu)良的有優(yōu)良的耐熱性耐熱性，導，導熱性低，是優(yōu)良的熱性低，是優(yōu)良的絕絕熱熱材料。陶瓷材料在材料。陶瓷材料在溫度驟變時抵抗破壞溫度驟變時抵抗破壞的能力低，即的能力低，即熱穩(wěn)定熱穩(wěn)定性性低。低?？勺鼋^熱材料可做絕熱材料高溫材料高溫材料第4節(jié) 陶瓷材料的物理性質(zhì) 電性能和光學特性電性能和光學特性 一些陶瓷材料具有優(yōu)良的一些陶瓷材料具有優(yōu)良的電性能電性能和和光學特光學特性性，已開發(fā)成功多種功能材料，如：壓電陶瓷，已開發(fā)成功多種功能材料，如：壓電陶瓷、半導體陶瓷、紅外光學材料、激光材料、光、半導體陶瓷、紅外光學材料、激光材料、光導纖維等。導纖維等。 化學性能化學性能 陶瓷的結(jié)構(gòu)很

10、穩(wěn)定，具有優(yōu)良的陶瓷的結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，具有優(yōu)良的抗氧化性抗氧化性和和不可燃性不可燃性，對酸、堿、鹽介質(zhì)有很高的，對酸、堿、鹽介質(zhì)有很高的抗蝕抗蝕性性，與多種金屬熔體也不發(fā)生作用，是很好的，與多種金屬熔體也不發(fā)生作用，是很好的耐蝕材料和坩堝材料。耐蝕材料和坩堝材料。陶瓷材料在機械制造業(yè)中的應用舉例陶瓷材料在機械制造業(yè)中的應用舉例 1。氧化鋁氧化鋁（Al2O3）陶瓷）陶瓷 Al2O3陶瓷俗稱剛玉，是應用最廣的氧化物陶瓷。陶瓷俗稱剛玉，是應用最廣的氧化物陶瓷。 特性特性：硬度高，耐磨性高，耐高溫，耐蝕性好。：硬度高，耐磨性高，耐高溫，耐蝕性好。 用途：高速切削刀具（切削溫度可達用途：高速切削刀具（切削溫度可達1200）、拉絲模、冷擠）、拉絲模、冷擠模、高溫爐零件、內(nèi)燃機火花塞等。模、高溫爐零件、內(nèi)燃機火