陶瓷的連接PPT課件

1、 1. 陶瓷材料概論陶瓷材料概論 1.1 陶瓷概念陶瓷概念 陶瓷的英文名為陶瓷的英文名為Ceramic，起源于希臘語，起源于希臘語Keramos(意為意為陶器陶器) 陶瓷是指以各種金屬的氧化物、氮化物、碳化物、硅化陶瓷是指以各種金屬的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物為原料，經(jīng)適當(dāng)配料、成型和高溫?zé)Y(jié)等人工合成的物為原料，經(jīng)適當(dāng)配料、成型和高溫?zé)Y(jié)等人工合成的無機(jī)無機(jī)非金屬材料非金屬材料。第1頁/共113頁特種陶瓷特種陶瓷普通陶瓷普通陶瓷陶陶 瓷瓷日用陶瓷（包括日用陶瓷（包括藝術(shù)陳列陶瓷）藝術(shù)陳列陶瓷）建筑衛(wèi)生陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷化化 工工 陶陶 瓷瓷化化 學(xué)學(xué) 瓷瓷電瓷及其他工業(yè)電瓷及其他工業(yè)用陶瓷

2、用陶瓷1.2 陶瓷的分類陶瓷的分類按陶瓷概念和用途來分類按陶瓷概念和用途來分類 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 陶陶 瓷瓷功功 能能 陶陶 瓷瓷第2頁/共113頁結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷，是指那些利用其高強(qiáng)度、高硬度、良，是指那些利用其高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性等力學(xué)性能及耐高溫、耐腐蝕、抗氧好的耐磨性等力學(xué)性能及耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特性，化等特性，作為結(jié)構(gòu)部件作為結(jié)構(gòu)部件使用的陶瓷材料。使用的陶瓷材料。功能陶瓷功能陶瓷，是指那些利用其電、磁、聲、光、電、，是指那些利用其電、磁、聲、光、電、熱等直接效應(yīng)和耦合效應(yīng)所提供的一種或是多種熱等直接效應(yīng)和耦合效應(yīng)所提供的一種或是多種性質(zhì)來性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)某種使用功能實(shí)現(xiàn)某種使用功

3、能的特種陶瓷。的特種陶瓷。第3頁/共113頁特種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷區(qū)別特種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷區(qū)別第4頁/共113頁物質(zhì)結(jié)構(gòu)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)：指組成材料指組成材料的化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)：顯微結(jié)構(gòu)：指在顯微鏡指在顯微鏡下看到的結(jié)構(gòu)下看到的結(jié)構(gòu) 陶瓷具有多相多晶體結(jié)陶瓷具有多相多晶體結(jié)構(gòu)：由構(gòu)：由晶相晶相(1)、玻璃相、玻璃相(2)和氣相和氣相(3)所組成所組成1.3. 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)第5頁/共113頁1.3.1 晶相晶相 晶相是陶瓷材料的主要組成相，對陶瓷的性能起決定性作用。晶相是陶瓷材料的主要組成相，對陶瓷的性能起決定性作用。晶相的性質(zhì)：晶相的性質(zhì)： 結(jié)合鍵是離子鍵、共價(jià)鍵

4、、混合鍵結(jié)合鍵是離子鍵、共價(jià)鍵、混合鍵陶瓷晶相具有牢固結(jié)合鍵的性質(zhì)，是陶瓷材料具有陶瓷晶相具有牢固結(jié)合鍵的性質(zhì)，是陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高耐熱性、高硬度、高耐蝕性和無塑性的根高熔點(diǎn)、高耐熱性、高硬度、高耐蝕性和無塑性的根本原因本原因氧化物結(jié)構(gòu)的結(jié)合鍵以離子鍵為主，又稱離子晶體。氧化物結(jié)構(gòu)的結(jié)合鍵以離子鍵為主，又稱離子晶體。Si3N4、SiC、BN等以共價(jià)鍵為主，稱共價(jià)晶體。等以共價(jià)鍵為主，稱共價(jià)晶體。第6頁/共113頁-石英石英870-鱗石英鱗石英1470-方石英方石英1713熔融熔融SiO2573-石英石英163-鱗石英鱗石英117-鱗石英鱗石英180270方石英方石英急冷急冷加熱加熱石英玻璃

5、石英玻璃SiO2的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 有些晶相存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，同一種化合物能夠獲有些晶相存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，同一種化合物能夠獲得不同的晶體結(jié)構(gòu)得不同的晶體結(jié)構(gòu)第7頁/共113頁 晶粒越細(xì)，強(qiáng)韌性越高晶粒越細(xì)，強(qiáng)韌性越高細(xì)晶強(qiáng)化是提高陶瓷材料強(qiáng)韌性的有效措施細(xì)晶強(qiáng)化是提高陶瓷材料強(qiáng)韌性的有效措施晶粒愈細(xì)，陶瓷的強(qiáng)度愈高。如剛玉（晶粒愈細(xì)，陶瓷的強(qiáng)度愈高。如剛玉（Al2O3）晶粒平均尺寸為晶粒平均尺寸為200m時(shí)，抗彎強(qiáng)度為時(shí)，抗彎強(qiáng)度為74MPa，1.8m時(shí)抗彎強(qiáng)度可高達(dá)時(shí)抗彎強(qiáng)度可高達(dá)570MPa。 主晶相的性質(zhì)是決定陶瓷性能的主要因素主晶相的性質(zhì)是決定陶瓷性能的主要因素 第8頁/共1

6、13頁 玻璃相是一種非晶態(tài)固體，是陶瓷燒結(jié)時(shí)，各玻璃相是一種非晶態(tài)固體，是陶瓷燒結(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)形成的組成相與雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)形成的液相在冷卻凝固時(shí)形成的非晶態(tài)物質(zhì)。液相在冷卻凝固時(shí)形成的非晶態(tài)物質(zhì)。1.3.2 玻璃相玻璃相玻璃相的作用玻璃相的作用將分散的晶相粘結(jié)在一起；將分散的晶相粘結(jié)在一起；降低燒結(jié)溫度；降低燒結(jié)溫度；抑制晶相的晶粒長大抑制晶相的晶粒長大填充氣孔。填充氣孔。第9頁/共113頁 氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產(chǎn)過程氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產(chǎn)過程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常為中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常為510%，要力求使其

7、呈球狀，均勻分布。要力求使其呈球狀，均勻分布。 氣孔對陶瓷的性能有顯著影響，使陶瓷強(qiáng)度降氣孔對陶瓷的性能有顯著影響，使陶瓷強(qiáng)度降低、介電損耗增大，電擊穿強(qiáng)度下降，絕緣性降低、介電損耗增大，電擊穿強(qiáng)度下降，絕緣性降低。低。1.3.3 氣相氣相 氣相可使陶瓷的密度減小，并能吸收振動(dòng)；氣相可使陶瓷的密度減小，并能吸收振動(dòng)； 用作保溫的陶瓷和化工用的過濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時(shí)氣孔率可高用作保溫的陶瓷和化工用的過濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時(shí)氣孔率可高達(dá)達(dá)60。第10頁/共113頁陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子

8、鍵(如Al2O3)、共價(jià)鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價(jià)鍵共價(jià)鍵離子鍵離子鍵第11頁/共113頁2.結(jié)構(gòu)陶瓷的性能特點(diǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的性能特點(diǎn)(1)線脹系數(shù)線脹系數(shù) 比金屬低，大約比金屬低，大約10-510-6K 銅：銅：17.710-6K 鋁：鋁：2310-6K 鐵：鐵：11.7610-6K 鎂：鎂：24.310-6K 隨氣孔率增加，陶瓷的熱脹系數(shù)降低隨氣孔率增加，陶瓷的熱脹系數(shù)降低(2)熔點(diǎn)熔點(diǎn) 比金屬高得多，一般在比金屬高得多，一般在2000以上以上 銅：銅：1083 鋁：鋁：660 鐵：鐵：1538 鎂：鎂：650 故陶瓷高溫強(qiáng)度和高溫蠕變抗力優(yōu)于金屬。故陶瓷高溫強(qiáng)度和高溫蠕變抗力

9、優(yōu)于金屬。2.1 物理性能物理性能第12頁/共113頁(3)導(dǎo)電性導(dǎo)電性 大多數(shù)是良好的絕緣體大多數(shù)是良好的絕緣體 也有一些半導(dǎo)體，如也有一些半導(dǎo)體，如NiO、Fe3O4等等(4)導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱性差，大多為良好的絕熱體導(dǎo)熱性差，大多為良好的絕熱體 =10-210-5W/mK 隨氣孔率增加，陶瓷的熱導(dǎo)率降低隨氣孔率增加，陶瓷的熱導(dǎo)率降低第13頁/共113頁(5)有些陶瓷具有特殊的光學(xué)性能有些陶瓷具有特殊的光學(xué)性能 紅寶石（紅寶石（-Al2O3摻鉻離子）、釔鋁石榴石、含摻鉻離子）、釔鋁石榴石、含釹玻璃等可作固體激光材料；玻璃纖維可作光導(dǎo)釹玻璃等可作固體激光材料；玻璃纖維可作光導(dǎo)纖維材料，此外還

10、有用于光電計(jì)數(shù)、跟蹤等自控纖維材料，此外還有用于光電計(jì)數(shù)、跟蹤等自控元件的光敏電阻材料。元件的光敏電阻材料。(6)磁性磁性 磁性陶瓷又名鐵氧體或鐵淦氧，主要是磁性陶瓷又名鐵氧體或鐵淦氧，主要是Fe2O3和和Mn、Zn等的氧化物組成的陶瓷材料，為磁性陶等的氧化物組成的陶瓷材料，為磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁帶、磁頭等。瓷材料，可用作磁芯、磁帶、磁頭等。第14頁/共113頁2.2 化學(xué)性能化學(xué)性能 化學(xué)穩(wěn)定性高化學(xué)穩(wěn)定性高 原因：原因：金屬原子被非金屬原子包圍，受到非金屬金屬原子被非金屬原子包圍，受到非金屬原子的屏蔽，因而形成極為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。原子的屏蔽，因而形成極為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 表現(xiàn)：表現(xiàn)

11、：抗氧化抗氧化(不再與介質(zhì)中的氧發(fā)生作用，甚至不再與介質(zhì)中的氧發(fā)生作用，甚至在在1000的高溫下也不會(huì)氧化的高溫下也不會(huì)氧化) 抗腐蝕抗腐蝕(具有較強(qiáng)的抵抗酸、堿、鹽類的具有較強(qiáng)的抵抗酸、堿、鹽類的腐蝕，以及抵抗熔融金屬腐蝕的能力腐蝕，以及抵抗熔融金屬腐蝕的能力)第15頁/共113頁2.3 力學(xué)性能力學(xué)性能(1)硬度硬度 硬度是各類材料中最高的，可作為刀具材料使用硬度是各類材料中最高的，可作為刀具材料使用 高聚物高聚物20HV 淬火鋼淬火鋼500800HV 陶瓷陶瓷10005000HV(2)強(qiáng)度強(qiáng)度 抗壓不抗拉，抗壓不抗拉， (抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)一個(gè)

12、數(shù)量級(jí))，抗彎，抗彎(抗彎強(qiáng)度高抗彎強(qiáng)度高)。 內(nèi)部存在微裂紋和氣孔等缺陷內(nèi)部存在微裂紋和氣孔等缺陷 ，是導(dǎo)陶瓷材，是導(dǎo)陶瓷材料抗拉強(qiáng)度較低的原因料抗拉強(qiáng)度較低的原因 高彈性模量高彈性模量，E=100400GPa （金屬（金屬210）第16頁/共113頁第17頁/共113頁(3)塑性塑性 在室溫幾乎沒有塑性，韌性差，脆性大，是在室溫幾乎沒有塑性，韌性差，脆性大，是陶瓷的最大缺點(diǎn)陶瓷的最大缺點(diǎn)在拉力作用下產(chǎn)在拉力作用下產(chǎn)生一定的彈性變生一定的彈性變形后直接斷裂形后直接斷裂第18頁/共113頁 沖擊韌性、斷裂韌性低沖擊韌性、斷裂韌性低 KIC 約為金屬的約為金屬的1/601/100 幾種材料的斷裂

13、韌性幾種材料的斷裂韌性材料材料KIC /MPa.m1/245鋼鋼90球墨鑄鐵球墨鑄鐵2040氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷3.55第19頁/共113頁(4)高溫強(qiáng)度高、蠕變抗力高高溫強(qiáng)度高、蠕變抗力高作為耐高溫材料，已在工程中獲得廣泛應(yīng)用作為耐高溫材料，已在工程中獲得廣泛應(yīng)用第20頁/共113頁3.幾種常用的結(jié)構(gòu)陶瓷幾種常用的結(jié)構(gòu)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，包括由金屬與，包括由金屬與非金屬元素的化合物構(gòu)成的非均勻固體物質(zhì)。主要由離非金屬元素的化合物構(gòu)成的非均勻固體物質(zhì)。主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵。子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵。 最重要的氧化物陶瓷是幾

14、種簡單類型的氧化物：最重要的氧化物陶瓷是幾種簡單類型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和和AB2O4等結(jié)構(gòu)類型等結(jié)構(gòu)類型(A、B表表示陽離子示陽離子)。 工程意義較大的是純氧化物陶瓷，它們的熔點(diǎn)多數(shù)工程意義較大的是純氧化物陶瓷，它們的熔點(diǎn)多數(shù)超過超過2000，應(yīng)用最多的是，應(yīng)用最多的是SiO2，Al2O3，ZrO2，MgO， CaO， BeO，ThO2等，以及一些氧化物之間的化合物等，以及一些氧化物之間的化合物如如3Al2O3Al2O3(尖晶石尖晶石)等。等。3.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷第21頁/共113頁第22頁/共113頁 以以-Al2O3為主晶相的陶瓷材料為主晶相的陶瓷材料 晶體

15、結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)： Al2O3目前已知有目前已知有10種同質(zhì)異晶體，主要有三種晶種同質(zhì)異晶體，主要有三種晶型：型： -Al2O3 -Al2O3 -Al2O33.1.1氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷第23頁/共113頁-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)氧化鋁的結(jié)構(gòu)是氧化鋁的結(jié)構(gòu)是O-2排成密排排成密排六方結(jié)構(gòu)，六方結(jié)構(gòu)，Al+3占據(jù)間隙位置。占據(jù)間隙位置。根據(jù)含雜質(zhì)的多少，氧化鋁根據(jù)含雜質(zhì)的多少，氧化鋁呈紅色呈紅色(如紅寶石如紅寶石)或藍(lán)色或藍(lán)色(如如藍(lán)寶石藍(lán)寶石)第24頁/共113頁第25頁/共113頁氧化鋁陶瓷的性能與用途以基體中所含以基體中所含Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(75瓷，瓷，95瓷，瓷，99瓷瓷)

16、隨隨Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，機(jī)械強(qiáng)度，介電常數(shù)，的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，機(jī)械強(qiáng)度，介電常數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)等也提高導(dǎo)熱系數(shù)等也提高表表3-3 幾種氧化物陶瓷的化學(xué)組成幾種氧化物陶瓷的化學(xué)組成第26頁/共113頁優(yōu)點(diǎn)：硬度高、很好的耐磨性、耐蝕性和高溫性優(yōu)點(diǎn)：硬度高、很好的耐磨性、耐蝕性和高溫性能能缺點(diǎn)：韌性低，抗熱振性能差，不能承受溫度的缺點(diǎn)：韌性低，抗熱振性能差，不能承受溫度的急劇變化急劇變化用于制造刀具、模具、軸承、熔化金屬的坩堝、用于制造刀具、模具、軸承、熔化金屬的坩堝、高溫?zé)犭娕继坠埽约盎ば袠I(yè)中的一些特殊零高溫?zé)犭娕继坠?，以及化工行業(yè)中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑環(huán)、軸套和葉輪等。部件，

17、如化工泵的密封滑環(huán)、軸套和葉輪等。第27頁/共113頁3.1.2 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷研發(fā)歷史研發(fā)歷史20世紀(jì)世紀(jì)20年代開始就被用做熔化玻璃和冶煉鋼鐵等的耐火材料；年代開始就被用做熔化玻璃和冶煉鋼鐵等的耐火材料；1968年，日本松下電器公司開發(fā)出氧化鋯非線性電阻元件；年，日本松下電器公司開發(fā)出氧化鋯非線性電阻元件；1973年，美國年，美國R.Zechnall制得電解質(zhì)氧傳感器，能正確顯示汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制得電解質(zhì)氧傳感器，能正確顯示汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的空氣/燃料比，燃料比，1980年用于鋼鐵工業(yè)；年用于鋼鐵工業(yè)；1975年，澳大利亞年，澳大利亞R.G.Garvie以以CaO為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定的氧化

18、鋯，為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定的氧化鋯，并首次利用陶瓷馬氏體相變的增韌相應(yīng)，提高了其韌性和強(qiáng)度；并首次利用陶瓷馬氏體相變的增韌相應(yīng)，提高了其韌性和強(qiáng)度；1982年，日本絕緣子公司和美國年，日本絕緣子公司和美國Cummins發(fā)動(dòng)機(jī)公司共同開發(fā)出節(jié)能柴發(fā)動(dòng)機(jī)公司共同開發(fā)出節(jié)能柴油機(jī)缸套。油機(jī)缸套。第28頁/共113頁ZrO2陶瓷晶型及其轉(zhuǎn)化陶瓷晶型及其轉(zhuǎn)化 單斜單斜(m)、四方、四方(t)、立方、立方(c) 3種種晶系晶系第29頁/共113頁氧化鋯陶瓷的應(yīng)用氧化鋯陶瓷的應(yīng)用特點(diǎn)：密度大，硬度高，抗彎強(qiáng)度大特點(diǎn)：密度大，硬度高，抗彎強(qiáng)度大,斷裂韌性高斷裂韌性高(已知已知陶瓷中最高陶瓷中最高)應(yīng)用：應(yīng)用：

19、可用做內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)襯、活塞頂?shù)瓤捎米鰞?nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)襯、活塞頂?shù)?耐磨、耐腐蝕器件耐磨、耐腐蝕器件 模具模具 高溫發(fā)熱體材料，在空氣中最高發(fā)熱溫度可達(dá)高溫發(fā)熱體材料，在空氣中最高發(fā)熱溫度可達(dá)2200 燃料電池材料等燃料電池材料等第30頁/共113頁第31頁/共113頁3.1.3其他氧化物陶瓷其他氧化物陶瓷氧化鎂陶瓷氧化鎂陶瓷氧化鈹陶瓷氧化鈹陶瓷第32頁/共113頁3.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷與氧化物陶瓷的區(qū)別：非氧化物陶瓷與氧化物陶瓷的區(qū)別：人工制備的人工制備的燒結(jié)需在保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)需在保護(hù)氣氛中進(jìn)行難熔、難燒結(jié)難熔、難燒結(jié)第33頁/共113頁3.2.1 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷

20、氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能對于現(xiàn)代技術(shù)經(jīng)常遇到的高氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能對于現(xiàn)代技術(shù)經(jīng)常遇到的高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境，具有特殊的使用價(jià)溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境，具有特殊的使用價(jià)值。比較突出的性能有：值。比較突出的性能有：（1）機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性，耐）機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性，耐磨。室溫抗彎強(qiáng)度可以高達(dá)磨。室溫抗彎強(qiáng)度可以高達(dá)8001000MPa，強(qiáng)度可以一，強(qiáng)度可以一直維持到直維持到1200不下降。不下降。（2）熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)熱性能，）熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)熱性能，所以抗熱震性很好，從室溫到所以抗熱震性很好，從室溫到

21、1000的熱沖擊不會(huì)開裂。的熱沖擊不會(huì)開裂。（3）化學(xué)性能穩(wěn)定，幾乎可耐一切無機(jī)酸（）化學(xué)性能穩(wěn)定，幾乎可耐一切無機(jī)酸（HF除外）除外）和濃度在和濃度在30%以下燒堿（以下燒堿（NaOH）溶液的腐蝕，也能耐）溶液的腐蝕，也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕，對多種有色金屬熔融體（特別是很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕，對多種有色金屬熔融體（特別是鋁液）不潤濕，能經(jīng)受強(qiáng)烈的放射輻照。鋁液）不潤濕，能經(jīng)受強(qiáng)烈的放射輻照。（4）密度低，比重小，僅是鋼的）密度低，比重小，僅是鋼的2/5，電絕緣性好。，電絕緣性好。第34頁/共113頁氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)氮化硅的晶體結(jié)構(gòu) 六方晶系，六方晶系，、兩種晶型兩種晶型 -Si3N4低溫相，低

22、溫相，1500轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵噢D(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?Si3N4第35頁/共113頁氮化硅陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷的應(yīng)用 用于制造火箭尾噴管的噴嘴、澆注金屬用的喉嘴、電熱用于制造火箭尾噴管的噴嘴、澆注金屬用的喉嘴、電熱偶套管、加熱爐管以及燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等，還可偶套管、加熱爐管以及燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等，還可用于熱交換器、耐火材料等。用于熱交換器、耐火材料等。第36頁/共113頁3.2.2碳化硅陶瓷兩種晶型兩種晶型-SiC 六方結(jié)構(gòu)六方結(jié)構(gòu)-SiC 面心立方面心立方第37頁/共113頁碳化硅陶瓷的性能和用途碳化硅陶瓷的性能和用途熱導(dǎo)率高，優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和高溫蠕變熱導(dǎo)率高，優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和高溫蠕變高電阻率高電

23、阻率化學(xué)穩(wěn)定性高化學(xué)穩(wěn)定性高性能比氮化硅更好性能比氮化硅更好第38頁/共113頁3.2.3賽隆陶瓷賽隆陶瓷Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的總系列化合物的總稱稱塞隆陶瓷的性能塞隆陶瓷的性能第39頁/共113頁塞隆陶瓷的應(yīng)用塞隆陶瓷的應(yīng)用高溫?zé)Y(jié)材料高溫?zé)Y(jié)材料常溫和高溫下強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定常溫和高溫下強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定優(yōu)異的抗熔融腐蝕優(yōu)異的抗熔融腐蝕熱機(jī)材料熱機(jī)材料( (發(fā)動(dòng)機(jī)針閥發(fā)動(dòng)機(jī)針閥) )切削材料切削材料( (熱硬性好于熱硬性好于Co-WCCo-WC合金，合金，10001000以上高速切削以上高速切削) )軸承等滑動(dòng)部件及磨損件軸承等滑動(dòng)部件及磨損件( (直接燒制

24、成所需尺寸直接燒制成所需尺寸) )第40頁/共113頁1.陶瓷與金屬連接的基本要求陶瓷與金屬連接的基本要求陶瓷與金屬材料的連接陶瓷與金屬材料的連接陶瓷與非金屬材料的連接陶瓷與非金屬材料的連接陶瓷與半導(dǎo)體材料的連接陶瓷與半導(dǎo)體材料的連接 陶瓷材料固有的硬脆性使其難以加工，難以制陶瓷材料固有的硬脆性使其難以加工，難以制成形狀復(fù)雜的高就，在工程應(yīng)用上受到很大的限制。成形狀復(fù)雜的高就，在工程應(yīng)用上受到很大的限制。故陶瓷通常是與金屬材料一起組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來使用。故陶瓷通常是與金屬材料一起組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來使用。1.1 陶瓷連接的形式陶瓷連接的形式第41頁/共113頁1.2 對接頭性能的要求對接頭性能的要求必須

25、具有較高的強(qiáng)度必須具有較高的強(qiáng)度必須具有真空氣密性必須具有真空氣密性接頭的殘余應(yīng)力應(yīng)最小，在使用過程中應(yīng)具有耐熱接頭的殘余應(yīng)力應(yīng)最小，在使用過程中應(yīng)具有耐熱性、耐蝕性和熱穩(wěn)定性。性、耐蝕性和熱穩(wěn)定性。焊接工藝應(yīng)盡可能簡化，工藝過程穩(wěn)定，生產(chǎn)成本焊接工藝應(yīng)盡可能簡化，工藝過程穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低。低。第42頁/共113頁2. 陶瓷與金屬連接存在的問題陶瓷與金屬連接存在的問題 線脹系數(shù)相差很大線脹系數(shù)相差很大很大的殘余應(yīng)力很大的殘余應(yīng)力控制應(yīng)力的方法控制應(yīng)力的方法： 減少焊接部位及其附近的溫度梯度，控制減少焊接部位及其附近的溫度梯度，控制加熱和冷卻速度加熱和冷卻速度 采用金屬中間層采用金屬中間層2.1

26、 陶瓷與金屬焊接中的熱膨脹與熱應(yīng)力陶瓷與金屬焊接中的熱膨脹與熱應(yīng)力第43頁/共113頁2.2 陶瓷與金屬很難潤濕陶瓷與金屬很難潤濕為改善潤濕可以采取的方法：為改善潤濕可以采取的方法： 采用活性金屬采用活性金屬 在陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理在陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理 連接處易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易生成各種碳化物、氮化物、硅連接處易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易生成各種碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物?；?、氧化物以及多元化合物。這些硬度高、脆性大的化這些硬度高、脆性大的化合物，是產(chǎn)生裂紋和造成接頭脆性斷裂的主要原因。合物，是產(chǎn)生裂紋和造成接頭脆性斷裂的主要原因。2.3 易生成脆性化合物易生成脆性化合物2.4

27、陶瓷與金屬的結(jié)合界面問題陶瓷與金屬的結(jié)合界面問題 陶瓷與金屬之間是通過過渡層而結(jié)合的，兩種材料間的界陶瓷與金屬之間是通過過渡層而結(jié)合的，兩種材料間的界面反應(yīng)對接頭的形成和組織性能有很大的影響。面反應(yīng)對接頭的形成和組織性能有很大的影響。第44頁/共113頁線脹系數(shù)、彈性模量差異線脹系數(shù)、彈性模量差異接頭附近不均勻的熱應(yīng)接頭附近不均勻的熱應(yīng)力力(陶瓷側(cè)高應(yīng)力陶瓷側(cè)高應(yīng)力) 應(yīng)力應(yīng)力集中集中裂紋裂紋焊接溫度與室溫之差很大焊接溫度與室溫之差很大較大的殘余應(yīng)力較大的殘余應(yīng)力1 焊接應(yīng)力和裂紋焊接應(yīng)力和裂紋第45頁/共113頁第46頁/共113頁緩解較大的分布不均殘余應(yīng)力的措施：緩解較大的分布不均殘余應(yīng)力

28、的措施：加入中加入中間層間層 中間層的選擇原則：中間層的選擇原則： 選擇彈性模量和屈服強(qiáng)度較低、塑性好的材選擇彈性模量和屈服強(qiáng)度較低、塑性好的材料，通過中間層金屬或合金的塑性變形，將料，通過中間層金屬或合金的塑性變形，將陶瓷中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到中間層中，從而減小陶陶瓷中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到中間層中，從而減小陶瓷瓷/金屬接頭的應(yīng)力。金屬接頭的應(yīng)力。第47頁/共113頁主要選擇的中間層主要選擇的中間層單一金屬：單一金屬：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、銅鎳合金、合金鋼、銅鎳合金、合金鋼兩種不同的金屬作為復(fù)合中間層，例如：兩種不同的金屬作為復(fù)合中間層，例如：Ni作為塑性金屬，作為塑性金屬，W作為低線脹系數(shù)材料作

29、為低線脹系數(shù)材料中間層材料的預(yù)置方式：中間層材料的預(yù)置方式：金屬鉑片金屬鉑片金屬粉末：真空蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉積、噴涂、電鍍金屬粉末：真空蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉積、噴涂、電鍍第48頁/共113頁中間層的影響：中間層的影響：中間層厚度增大，殘余應(yīng)力降低中間層厚度增大，殘余應(yīng)力降低若中間層與母材有化學(xué)反應(yīng)生成脆性化合物，會(huì)若中間層與母材有化學(xué)反應(yīng)生成脆性化合物，會(huì)使接頭惡化使接頭惡化第49頁/共113頁其他降低殘余應(yīng)力的特殊措施其他降低殘余應(yīng)力的特殊措施合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使用性能的條合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使用性能的條件下，盡可能使兩者的線脹系數(shù)相差最小。件

30、下，盡可能使兩者的線脹系數(shù)相差最小。盡可能減小焊接部位及其附件的溫度梯度，控制加熱速盡可能減小焊接部位及其附件的溫度梯度，控制加熱速度，降低冷卻速度，有利于應(yīng)力松弛而使焊接應(yīng)力減小。度，降低冷卻速度，有利于應(yīng)力松弛而使焊接應(yīng)力減小。采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設(shè)計(jì)陶瓷與金屬采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設(shè)計(jì)陶瓷與金屬的接頭結(jié)構(gòu)。的接頭結(jié)構(gòu)。第50頁/共113頁2.2.界面反應(yīng)及形成過程界面反應(yīng)及形成過程 接頭界面反應(yīng)的物相結(jié)構(gòu)是影響陶瓷與金屬結(jié)合的接頭界面反應(yīng)的物相結(jié)構(gòu)是影響陶瓷與金屬結(jié)合的關(guān)鍵。這些相結(jié)構(gòu)取決于陶瓷與金屬關(guān)鍵。這些相結(jié)構(gòu)取決于陶瓷與金屬(包括中間層包括中間層)的種類

31、，也與連接條件的種類，也與連接條件(如加熱溫度、表面狀態(tài)、如加熱溫度、表面狀態(tài)、中間合金及厚度等中間合金及厚度等)有關(guān)。有關(guān)。2.1 2.1 界面反應(yīng)產(chǎn)物界面反應(yīng)產(chǎn)物第51頁/共113頁例如：例如：SiC與金屬的反應(yīng)，生產(chǎn)該金屬的碳化物、硅與金屬的反應(yīng)，生產(chǎn)該金屬的碳化物、硅化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相晶相MeSiMeCSiCMeyxCMeSiSiCMe第52頁/共113頁第53頁/共113頁例如：例如：Si3N4與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氮化物、硅化與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氮化物、硅化物或三元化合物物或三元化合物第54頁/共1

32、13頁例如：例如：Al2O3與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氧化物、鋁化與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氧化物、鋁化物或三元化合物物或三元化合物第55頁/共113頁2.2 擴(kuò)散界面的形成擴(kuò)散界面的形成 陶瓷與金屬各方面的差異很大，中間層陶瓷與金屬各方面的差異很大，中間層元素在兩種母材中的擴(kuò)散能力不同，造成中元素在兩種母材中的擴(kuò)散能力不同，造成中間層與兩側(cè)母材發(fā)生反應(yīng)的程度也不同，所間層與兩側(cè)母材發(fā)生反應(yīng)的程度也不同，所以產(chǎn)生擴(kuò)散連接界面形成過程的非對稱性。以產(chǎn)生擴(kuò)散連接界面形成過程的非對稱性。第56頁/共113頁例如：例如：Al2O3-TiC復(fù)合復(fù)合陶瓷與陶瓷與W18Cr4V高速鋼高速鋼擴(kuò)散連接，擴(kuò)散連接

33、，以以Ti/Cu/Ti為中間層為中間層第57頁/共113頁2.3 擴(kuò)散連接界面反應(yīng)機(jī)理擴(kuò)散連接界面反應(yīng)機(jī)理(1) Al2O3-TiC/Ti界面界面(A)(2)Ti-Cu-Ti中間層內(nèi)中間層內(nèi)(B)(3)Ti/W18Cr4V界面近界面近Ti側(cè)側(cè)(C)(4)Ti/W18Cr4V界面近界面近W18Cr4V側(cè)側(cè)(D)第58頁/共113頁反應(yīng)層反應(yīng)層A主要為：主要為：TiO、Ti3Al和和TiC相相AlTiOOAlTi2333233TiAlAlTiTiAlAlTiAlTiAlTi33TiAlTiTiAl323AlTiTiTiAl32TiCCTi第59頁/共113頁反應(yīng)層反應(yīng)層B主要為：主要為：CuTi、

34、CuTi2和和TiCCuTiTiCu22CuTiTiCuTiCCTi第60頁/共113頁反應(yīng)層反應(yīng)層C主要為：主要為：TiC和少量的和少量的FeTi相相FeTiTiFeTiFeTiFe22FeTiTiFe2TiCCTi第61頁/共113頁反應(yīng)層反應(yīng)層D主要是：主要是：Fe3W3C等碳化物和等碳化物和-FeTiCCTiW18Cr4V側(cè)形成脫碳層側(cè)形成脫碳層CWFeCWFe33未反應(yīng)的未反應(yīng)的Fe以以-Fe形式保存下來形式保存下來第62頁/共113頁 Ti幾乎出現(xiàn)在所有的界面反應(yīng)產(chǎn)物中，表幾乎出現(xiàn)在所有的界面反應(yīng)產(chǎn)物中，表明明Ti參與了界面反應(yīng)的各個(gè)過程。在參與了界面反應(yīng)的各個(gè)過程。在Al2O3-

35、TiC/W18Cr4V擴(kuò)散連接過程中，擴(kuò)散連接過程中，Ti是界面反應(yīng)是界面反應(yīng)的主控元素的主控元素。第63頁/共113頁2.3 擴(kuò)散界面的結(jié)合強(qiáng)度擴(kuò)散界面的結(jié)合強(qiáng)度(1)加熱溫度加熱溫度溫度提高溫度提高界面擴(kuò)散反應(yīng)充分，接頭強(qiáng)度提高。界面擴(kuò)散反應(yīng)充分，接頭強(qiáng)度提高。溫度過高溫度過高使陶瓷的性能發(fā)生變化，出現(xiàn)脆性相使陶瓷的性能發(fā)生變化，出現(xiàn)脆性相第64頁/共113頁(2)保溫時(shí)間保溫時(shí)間2/10tBb第65頁/共113頁(3)(3)壓力壓力 為了使接觸面處產(chǎn)生微觀塑性變形，減小表面為了使接觸面處產(chǎn)生微觀塑性變形，減小表面不平整和破壞表面氧化膜，增加表面接觸面積，為原不平整和破壞表面氧化膜，增加表

36、面接觸面積，為原子擴(kuò)散提供條件。子擴(kuò)散提供條件。第66頁/共113頁(4)(4)表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙會(huì)在陶瓷中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而引起脆性破壞表面粗糙會(huì)在陶瓷中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而引起脆性破壞第67頁/共113頁(5)(5)連接環(huán)境連接環(huán)境避免了避免了O O、H H等參與界面反應(yīng)，有利于提高接頭的強(qiáng)度等參與界面反應(yīng)，有利于提高接頭的強(qiáng)度第68頁/共113頁第69頁/共113頁 陶瓷與金屬在化學(xué)鍵型、微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性陶瓷與金屬在化學(xué)鍵型、微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性能等方面存在極大的差異，采用常規(guī)的方法是很難講它能等方面存在極大的差異，采用常規(guī)的方法是很難講它們連接在一起并滿足使用要

37、求的。這主要表現(xiàn)在：們連接在一起并滿足使用要求的。這主要表現(xiàn)在： 1陶瓷與金屬的鍵型不同，連接時(shí)存在鍵型的轉(zhuǎn)換和匹陶瓷與金屬的鍵型不同，連接時(shí)存在鍵型的轉(zhuǎn)換和匹配問題，難以實(shí)現(xiàn)良好的冶金連接配問題，難以實(shí)現(xiàn)良好的冶金連接 2陶瓷與金屬的熱脹差異很大，連接后容易產(chǎn)生很大的陶瓷與金屬的熱脹差異很大，連接后容易產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，難以獲得高強(qiáng)度接頭殘余應(yīng)力，難以獲得高強(qiáng)度接頭 3陶瓷的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)電性差，抗熱沖擊能力弱，潤濕陶瓷的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)電性差，抗熱沖擊能力弱，潤濕性不好，這給連接工藝的確定帶來了很大的困難。性不好，這給連接工藝的確定帶來了很大的困難。第70頁/共113頁 陶瓷與金屬之間的連接方

38、法，包括機(jī)械連接、粘接和焊接。陶瓷與金屬之間的連接方法，包括機(jī)械連接、粘接和焊接。 常用的焊接方法主要有釬焊連接、擴(kuò)散連接、電子束焊、激光焊等。常用的焊接方法主要有釬焊連接、擴(kuò)散連接、電子束焊、激光焊等。第71頁/共113頁第72頁/共113頁第73頁/共113頁第74頁/共113頁第75頁/共113頁第76頁/共113頁coslglssglgcoslssglssg潤濕的基本條件第77頁/共113頁gagahlssg2cos2lg第78頁/共113頁第79頁/共113頁第80頁/共113頁 lssg第81頁/共113頁第82頁/共113頁第83頁/共113頁第84頁/共113頁第85頁/共11

39、3頁第86頁/共113頁方法方法母材受熱母材受熱 填充材料填充材料熱源熱源壓力壓力 接頭拆卸性接頭拆卸性 結(jié)合特征結(jié)合特征熔化焊熔化焊熔化熔化有或無有或無內(nèi)部或外加內(nèi)部或外加無無不可拆卸不可拆卸冶金結(jié)合冶金結(jié)合固相焊固相焊不熔化不熔化無無外加外加有有不可拆卸不可拆卸冶金結(jié)合冶金結(jié)合釬焊釬焊不熔化不熔化有有外加外加無無部分可拆卸部分可拆卸 冶金結(jié)合冶金結(jié)合三種連接方法特征對比三種連接方法特征對比第87頁/共113頁第88頁/共113頁第89頁/共113頁第90頁/共113頁第91頁/共113頁第92頁/共113頁第93頁/共113頁揚(yáng)中市金星焊料有限公司之銅磷釬料揚(yáng)中市金星焊料有限公司之銅磷釬料

40、釬焊帶釬焊帶第94頁/共113頁第95頁/共113頁第96頁/共113頁 第97頁/共113頁 第98頁/共113頁第99頁/共113頁第100頁/共113頁第101頁/共113頁真空釬焊系統(tǒng)真空釬焊系統(tǒng)鋁釬焊爐鋁釬焊爐第102頁/共113頁第103頁/共113頁 在陶瓷與金屬的釬焊連接中，釬料在陶瓷上良好的潤濕在陶瓷與金屬的釬焊連接中，釬料在陶瓷上良好的潤濕性能是實(shí)現(xiàn)有效冶金連接的前提。根據(jù)改善潤濕性的不性能是實(shí)現(xiàn)有效冶金連接的前提。根據(jù)改善潤濕性的不同，分為兩類：同，分為兩類： 間接釬焊，間接釬焊，即先對陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理，再使用常即先對陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理，再使用常規(guī)釬料連接；規(guī)釬

41、料連接； 直接釬焊，直接釬焊，即直接采用含有活性金屬元素的釬料焊接即直接采用含有活性金屬元素的釬料焊接第104頁/共113頁一、間接釬焊1.陶瓷表面的金屬化方法陶瓷表面的金屬化方法 Mo-Mn法法 蒸發(fā)金屬化法蒸發(fā)金屬化法 濺射金屬化法濺射金屬化法 離子注入法離子注入法 熱噴涂法熱噴涂法第105頁/共113頁Mo-Mn法法 19世紀(jì)世紀(jì)30年代發(fā)展起來的，是現(xiàn)代陶瓷金屬化的基礎(chǔ)。年代發(fā)展起來的，是現(xiàn)代陶瓷金屬化的基礎(chǔ)。 工藝過程為：將工藝過程為：將MnO2與與Mo的粉末用粘接劑粘到的粉末用粘接劑粘到陶瓷表面，在陶瓷表面，在10001800的的N2或或H2中燒結(jié)，表面形中燒結(jié)，表面形成玻璃相，同時(shí)部分金屬氧化物還原，產(chǎn)生金屬表面層。成玻璃相，同時(shí)部分金屬氧化物還原，產(chǎn)生金屬表面層。為改善釬料對金屬化層的潤濕性，可在金屬化層上鍍鎳，為改善釬料對金屬化層的潤濕性，可在金屬化層上鍍鎳，最后用銀最后用銀-銅釬料將鍍