工程材料-過控-12-無機非金屬材料

1、工程材料工程材料第第1212章章 無機非金屬材料無機非金屬材料4:35 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容l無機非金屬材料基本特性無機非金屬材料基本特性 無機非金屬材料的定義與分類 無機非金屬材料的組成與結(jié)構(gòu) 無機非金屬材料的基本性能無機非金屬材料的基本性能 l過程裝備用無機非金屬材料的性能特點及應(yīng)用過程裝備用無機非金屬材料的性能特點及應(yīng)用 化工陶瓷 特種陶瓷 玻璃 化工搪瓷 隔熱耐火材料 石墨材料 4:35 陶瓷材料 工業(yè)上應(yīng)用的典型的工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、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)水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的良的

2、新型陶瓷新型陶瓷。 l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金屬和高聚物金屬和高聚物以外的以外的無機非無機非金屬材料金屬材料通稱。通稱。 工程材料工程材料4 陶瓷材料陶瓷材料也稱為無機非金屬材料，以無機非金屬天也稱為無機非金屬材料，以無機非金屬天然礦物或化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)原料處理、成型、干燥、然礦物或化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)原料處理、成型、干燥、燒成等工序制成的產(chǎn)品。燒成等工序制成的產(chǎn)品。l 陶瓷材料與金屬材料的區(qū)分：陶瓷材料與金屬材料的區(qū)分： 根據(jù)兩種材料的電阻根據(jù)兩種材料的電阻-溫度系數(shù)來區(qū)別。溫度系數(shù)來區(qū)別。l 陶瓷材料與有機高分子材料的區(qū)分：陶瓷材料與有機高分子材料的區(qū)分： 高分子材料含有不連續(xù)的大分子，

3、在分子內(nèi)的碳原子高分子材料含有不連續(xù)的大分子，在分子內(nèi)的碳原子是由共價鍵相聯(lián)，分子與分子間則通過較弱的分子鍵或是由共價鍵相聯(lián)，分子與分子間則通過較弱的分子鍵或氫鍵結(jié)合。氫鍵結(jié)合。 陶瓷材料沒有不連續(xù)的分子，是一種或多種原子的空陶瓷材料沒有不連續(xù)的分子，是一種或多種原子的空間排列，有序為晶體，否則為非晶材料。間排列，有序為晶體，否則為非晶材料。 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料的特點陶瓷材料的特點 l陶瓷材料的相組成特陶瓷材料的相組成特點點l陶瓷材料通常由三種陶瓷材料通常由三種不同的相組成，即不同的相組成，即晶晶相相(1)、玻璃相玻璃相(2)和和氣氣相相(3)氣孔氣孔。 陶瓷材料陶瓷材料 料料致密度致密

4、度、降、降低低燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度和抑和抑制制晶粒長大晶粒長大。 氣相氣相是在工藝是在工藝過程中形成并過程中形成并保留下來的。保留下來的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物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。理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材 陶瓷材料的相組成特點陶瓷材料的相組成特點7陶瓷材料的化學(xué)鍵陶瓷材料的化學(xué)鍵 原子結(jié)合鍵：原子結(jié)合鍵： 三種強結(jié)合力的化三種強結(jié)合力的化學(xué)鍵學(xué)鍵: :共價鍵共價鍵、離子鍵離子鍵、金屬鍵金屬鍵； 二種弱結(jié)合鍵：二種弱結(jié)合鍵：范范德華鍵德華鍵

5、、氫鍵；氫鍵； 陶瓷材料：陶瓷材料：離子鍵離子鍵或共價鍵。或共價鍵。 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的結(jié)合鍵 陶瓷材料的主要成分是陶瓷材料的主要成分是氧化物氧化物、碳化物碳化物、氮化物氮化物、硅化物硅化物等，因而其結(jié)合鍵以等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵離子鍵(如如Al2O3)、共價共價鍵鍵(如如Si3N4)及兩者的及兩者的混合鍵混合鍵為主。為主。共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵 陶瓷材料的特點陶瓷材料的特點陶瓷材料的性能特點陶瓷材料的性能特點 陶瓷材料具有高陶瓷材料具有高熔點熔點、高、高硬度硬度、高、高化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性，耐，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。特性。 陶瓷材料還

6、具有陶瓷材料還具有密度密度小、小、彈性模量彈性模量大、耐磨損、強大、耐磨損、強度高等特點。度高等特點。 功能陶瓷還具有電、光、功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。磁等特殊性能。 陶瓷材料的特點陶瓷材料的特點陶瓷材料的工藝特點陶瓷材料的工藝特點 陶瓷陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高是脆性材料，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。溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。 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。的問題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結(jié)組織粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中

7、的氣孔陶瓷中的氣孔 陶瓷材料的特點陶瓷材料的特點陶瓷材料的分類陶瓷材料的分類按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物陶瓷陶瓷及其它化合物陶瓷。及其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電玻璃玻璃幕墻玻璃幕墻 陶瓷材料陶瓷材料按使用的原材料分類按使用的原材料分類 可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。l普通陶瓷普通陶瓷以天然的巖石、以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。礦石、黏土等材料作原料。l特種陶瓷特種陶瓷采用人工合成的采用人工合成的材料作原料。材料作原料。 按性能和用途分類按性能和用途分類 l可

8、將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶結(jié)構(gòu)陶瓷瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩類。兩類。 陶瓷零件陶瓷零件 陶瓷材料的分類陶瓷材料的分類13 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu) 通常金屬陽離子尺寸較非金屬的陰離子小，在陶瓷晶通常金屬陽離子尺寸較非金屬的陰離子小，在陶瓷晶體中占據(jù)由非金屬陰離子構(gòu)成的晶格中的間隙位置。體中占據(jù)由非金屬陰離子構(gòu)成的晶格中的間隙位置。F 簡單立方：簡單立方：CsCl, CsBr, CsIF 面心立方：面心立方：NaCl, CaO, MgO, MnO, NiO, FeO, BaOF 密排六方：密排六方：ZnS, Al2O3 陶瓷材料陶瓷材料14 幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹幾種陶瓷晶體

9、結(jié)構(gòu)介紹 MX型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（M為金屬陽離子，為金屬陽離子，X為陰離子）為陰離子） 閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)15 幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹紹 MXMX型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) NaClNaCl型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)MgOMgO, , NiONiO, , TiCTiC, VC, VN, VC, VN等都是這種結(jié)構(gòu)，具有等都是這種結(jié)構(gòu)，具有這種結(jié)構(gòu)的化合物多數(shù)這種結(jié)構(gòu)的化合物多數(shù)有熔點高、穩(wěn)定性好的有熔點高、穩(wěn)定性好的特點。特點。 陶瓷材料陶瓷材料16 幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹 MXMX2 2型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的典型代表這種結(jié)構(gòu)的典型代表是金紅石結(jié)構(gòu)。

10、單位晶胞是金紅石結(jié)構(gòu)。單位晶胞中的中的8 8個頂角和中心為陽離個頂角和中心為陽離子，陰離子的位置則正好子，陰離子的位置則正好處于由陽離子構(gòu)成的稍有處于由陽離子構(gòu)成的稍有變形的八面體中心。變形的八面體中心。 陶瓷材料陶瓷材料17 幾種典型陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹幾種典型陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹 M M2 2X X型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)以赤銅礦為代表。這種結(jié)構(gòu)以赤銅礦為代表。陰離子構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu)，陽陰離子構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu)，陽離子處于間隙中。離子處于間隙中。 陶瓷材料陶瓷材料18 陶瓷材料的制備方法陶瓷材料的制備方法 陶瓷普通制備工藝陶瓷普通制備工藝 在普通工藝中都包括以下幾個步驟在普通工藝中都包括以下幾個步驟：

11、 原材料制成粉狀；原材料制成粉狀； 粉末壓制成一定的形狀的坯料；粉末壓制成一定的形狀的坯料； 坯料在高溫下的燒結(jié)，也可能在高溫和壓力坯料在高溫下的燒結(jié)，也可能在高溫和壓力下進行；下進行； 加工至最終形狀和尺寸。加工至最終形狀和尺寸。 陶瓷材料陶瓷材料19 陶瓷普通制備工藝陶瓷普通制備工藝熱等靜壓工藝（熱等靜壓工藝（Hot Isostatic Pressing, HIP) 壓力為壓力為100-300MPa，溫度可達(dá)溫度可達(dá) 1400，時間在，時間在1-8h。 陶瓷材料陶瓷材料20 陶瓷普通制備工藝陶瓷普通制備工藝化學(xué)氣相沉積工藝化學(xué)氣相沉積工藝加熱爐加熱爐石英舟石英舟基底基底石英管石英管進氣口端

12、進氣口端出氣口端出氣口端電源線電源線熱電偶熱電偶控溫儀控溫儀 陶瓷的制備方法陶瓷的制備方法21 陶瓷普通制備工藝陶瓷普通制備工藝溶膠溶膠-凝膠工藝凝膠工藝 陶瓷的制備方法陶瓷的制備方法22 陶瓷普通制備工藝陶瓷普通制備工藝溶膠溶膠-凝膠工藝凝膠工藝 陶瓷的制備方法陶瓷的制備方法23 新型陶瓷制備工藝新型陶瓷制備工藝自延高溫合成工藝自延高溫合成工藝 該類工藝的又一名稱為鋁熱燃燒反應(yīng)。鋁與氧化鐵的該類工藝的又一名稱為鋁熱燃燒反應(yīng)。鋁與氧化鐵的放熱反應(yīng)釋放出的熱量很多，可使溫度達(dá)到放熱反應(yīng)釋放出的熱量很多，可使溫度達(dá)到 2500 2500。SHS SHS 的突出特點的突出特點：P 極極高的燃燒溫度高

13、的燃燒溫度P 簡單、低成本的設(shè)備簡單、低成本的設(shè)備P 能精確控制其化學(xué)成分能精確控制其化學(xué)成分P 能制備不同的形狀的零件能制備不同的形狀的零件 陶瓷的制備方法陶瓷的制備方法 過程裝備用無機非金屬材料的性能特點及應(yīng)用過程裝備用無機非金屬材料的性能特點及應(yīng)用 化工陶瓷化工陶瓷 普通陶瓷是用普通陶瓷是用粘土粘土(Al2O32SiO22H2O)、長石長石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和和石英石英(SiO2)為原料，經(jīng)為原料，經(jīng)成型成型、燒結(jié)燒結(jié)而成的陶瓷。而成的陶瓷。 其組織中主晶相為其組織中主晶相為莫來石莫來石(3Al2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相玻璃相占

14、占3560%，氣相氣相占占13%。 分為耐酸陶、耐酸耐溫陶及工業(yè)瓷三種。分為耐酸陶、耐酸耐溫陶及工業(yè)瓷三種。 制造接觸強腐蝕介質(zhì)的塔、儲槽、容器、管道等。制造接觸強腐蝕介質(zhì)的塔、儲槽、容器、管道等。 陶瓷材料陶瓷材料 普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。 除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于大量用于電器電器、化工化工、建筑建筑、紡織紡織等工業(yè)部門。等工業(yè)部門。 景德鎮(zhèn)瓷器景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子絕緣子 普通陶瓷普通陶瓷 新型結(jié)構(gòu)陶瓷新型結(jié)構(gòu)陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分為主要成分, 含有少量含有少量SiO2的陶

15、瓷，又稱的陶瓷，又稱高高鋁陶瓷鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、氣動密封、氣動陶瓷配件陶瓷配件 常用工業(yè)陶瓷常用工業(yè)陶瓷27 氧化鋁陶瓷的結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷的結(jié)構(gòu) 氧化鋁陶瓷主要成分為氧化鋁陶瓷主要成分為AlAl2 2O O3 3和和SiOSiO2 2。 AlAl2 2O O3 3含量越含量越高，性能越好。高，性能越好。 AlAl2 2O O3 3只有一種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，只有一種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，即即 - -AlAl2 2O O3 3，呈密排六方結(jié)構(gòu)。呈密排六方結(jié)構(gòu)。 氧化鋁的制備原料是工業(yè)氧化氧化鋁的制備原料是工業(yè)氧化鋁，加入少量的添加劑后，經(jīng)壓鋁，加入少量的添

16、加劑后，經(jīng)壓制坯料燒結(jié)而成。制坯料燒結(jié)而成。 氧化鋁的硬度很高，有很好的氧化鋁的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高溫性能。耐磨性，很好的耐高溫性能。氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 根據(jù)根據(jù)Al2O3含量含量不同分為不同分為75瓷瓷(含含75%Al2O3，又稱，又稱剛玉剛玉-莫來石瓷莫來石瓷)、95瓷瓷和和99瓷瓷，后兩者又稱剛玉瓷。，后兩者又稱剛玉瓷。 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷耐高溫性能耐高溫性能好，可使用到好，可使用到1950。具。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度硬度極極高高(僅次于金剛石僅次于金剛石). 95瓷紡織件瓷紡織件99瓷紡織件瓷紡織件氧化鋁耐

17、高溫噴嘴氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷29 氧化鋁陶瓷的主要性能氧化鋁陶瓷的主要性能名名 稱稱剛剛玉玉- -莫莫來來石石瓷瓷剛剛玉玉瓷瓷剛剛玉玉瓷瓷牌牌 號號75 瓷瓷95 瓷瓷99 瓷瓷主主晶晶相相 -Al2O3和和 -Al2O3 2SiO2 -Al2O3 -Al2O3密密度度, ,( (g gc cm m- -3 3）3.2 3.43.53.9抗抗拉拉強強度度，M MP Pa a140180250抗抗彎彎強強度度，M MP Pa a250 300280 -350370 - 450熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù), , 1 10 0- -6 6/ /5 - 5.55.5 7.56.7介介電電強強度

18、度，K KV V/ /m mm m25 3015 18 25 - 30氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝 氧化鋁陶瓷被廣泛用作氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料耐火材料，如耐火磚、坩堝、，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的熱偶套管，淬火鋼的切削切削刀具刀具、金屬、金屬拔絲模拔絲模，內(nèi)燃，內(nèi)燃機的機的火花塞火花塞，火箭、導(dǎo)彈，火箭、導(dǎo)彈的的導(dǎo)流罩導(dǎo)流罩及及軸承軸承等。等。 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷 氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面體四面體組成的共組成的共 價鍵固體。價鍵固體。氮化硅的制

19、備與燒結(jié)工藝氮化硅的制備與燒結(jié)工藝 工業(yè)硅直接氮化：工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4 二氧化硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO燒結(jié)工藝燒結(jié)工藝優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) 燒結(jié)時幾乎沒有收縮，能燒結(jié)時幾乎沒有收縮，能得到復(fù)雜的形狀得到復(fù)雜的形狀 密度低，強度低，耐蝕密度低，強度低，耐蝕性差性差 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 用較少的助劑就能致密化，用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好強度、耐蝕性最好 只能制造簡單形狀，燒只能制造簡單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強度降低結(jié)助劑使高溫強度降低 新型結(jié)構(gòu)陶瓷新型結(jié)構(gòu)陶瓷32 氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4

20、 4) ) 是鍵合能很高的共價化合物。是鍵合能很高的共價化合物。有有兩種晶體結(jié)構(gòu)，兩種晶體結(jié)構(gòu)， 型與型與 型，兩者均為密排六方結(jié)構(gòu)，型，兩者均為密排六方結(jié)構(gòu)，但但 - - SiSi3 3N N4 4的的C-C-軸長度是軸長度是 - -SiSi3 3N N4 4的兩倍。的兩倍。 主要的制備工藝有：主要的制備工藝有：R 冷壓燒結(jié)法冷壓燒結(jié)法 R 熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法R 反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法R 熱等靜壓法熱等靜壓法R 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷33 反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法 將硅粉壓成需要的形狀，然后在將硅粉壓成需要的形狀，然后在1100-1400 1100-1400 的的高溫

21、下通入純氮氣或氮氣與氫氣的混合氣，這時就有高溫下通入純氮氣或氮氣與氫氣的混合氣，這時就有下列反應(yīng)發(fā)生：下列反應(yīng)發(fā)生：3Si (s) + 2 N2(g) Si3N4(s)3Si (g) + 2 N2(g) Si3N4(s) Si(s) + SiO2 2SiO(g)反應(yīng)燒結(jié)法制備的氮化硅孔隙率較熱壓制品高（反應(yīng)燒結(jié)法制備的氮化硅孔隙率較熱壓制品高（10%10%），因此其中溫下的抗氧化能力也較低，通常其），因此其中溫下的抗氧化能力也較低，通常其強度強度 400MP 400MPa, a, 一般為一般為250 250 MPMPa a左右。左右。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷34化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相沉

22、積法用來制備氮化硅的化學(xué)氣相沉積法用來制備氮化硅的絕絕緣（熱）或防擴緣（熱）或防擴散膜。散膜。 將硅烷或氯化硅在將硅烷或氯化硅在800-1100 800-1100 的溫度下與氨氣反應(yīng)的溫度下與氨氣反應(yīng)，就可制備得到氮化硅，具體的化學(xué)反應(yīng)如下：，就可制備得到氮化硅，具體的化學(xué)反應(yīng)如下：3SiH4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12 H2(g)3SiCl4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12 HCl(g)3SiHCl3(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 9HCl (g) + 3 H2(g)用用化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積方法制備的氮化硅致密，但不能制方

23、法制備的氮化硅致密，但不能制備復(fù)雜的形狀。備復(fù)雜的形狀。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷35用不同工藝制備的氮化硅的性能用不同工藝制備的氮化硅的性能氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷性能特點及應(yīng)用性能特點及應(yīng)用 氮化硅的氮化硅的強度強度、比強度比強度、比模量比模量高；硬度僅次于金高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.10.2；熱膨脹熱膨脹系數(shù)小系數(shù)小；抗熱震性抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。定性高。l熱壓燒結(jié)氮化硅熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡單、用于形狀簡單、精度要求不高的精度要求不高的零件，如零件，如切削刀切削刀具具、高溫軸承高溫軸承等。等。S

24、i3N4軸承軸承氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機械密封環(huán)等。零件，如機械密封環(huán)等。汽輪機轉(zhuǎn)子汽輪機轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷 碳化硅是通過鍵能很高碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結(jié)合的晶體。的共價鍵結(jié)合的晶體。 碳化硅是用碳化硅是用石英沙石英沙(SiO2)加加焦碳焦碳直接加熱直接加熱至高溫還原而成：至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的燒結(jié)工藝也有碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓熱壓和和反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于兩種。由于碳化硅表面有一層薄碳

25、化硅表面有一層薄氧化膜氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添，因此很難燒結(jié)，需添加加燒結(jié)助劑燒結(jié)助劑促進燒結(jié)，常加的助劑有促進燒結(jié)，常加的助劑有硼硼、碳碳、鋁鋁等。等。常壓燒結(jié)碳化硅常壓燒結(jié)碳化硅新型結(jié)構(gòu)陶瓷新型結(jié)構(gòu)陶瓷39碳化硅是一種非常硬而脆的材料。在還原氣氛中，碳碳化硅是一種非常硬而脆的材料。在還原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與化學(xué)腐蝕能力。在氧化氣氛中化硅具有很好的耐燒蝕與化學(xué)腐蝕能力。在氧化氣氛中，碳化硅中的自由，碳化硅中的自由 S Si i 可能被氧化，在極高溫度下，碳可能被氧化，在極高溫度下，碳化硅也可能被氧化?；枰部赡鼙谎趸?。碳化硅主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種為碳化硅主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一

26、種為 - - S Si iC C，屬于，屬于六方晶系，另一種為六方晶系，另一種為 - S- Si iC C，屬立方晶系。多數(shù)碳化，屬立方晶系。多數(shù)碳化硅以硅以 - - S Si iC C為主晶相。為主晶相。碳化硅并不是一種天然存在的礦物，雖然硅和碳都是碳化硅并不是一種天然存在的礦物，雖然硅和碳都是地球上存在著的最豐富的元素之一。地球上存在著的最豐富的元素之一。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷40主要的制備工藝有：主要的制備工藝有：R 熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法R 反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法R 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法 需要添加劑：需要添加劑：MgO, B, C , AlMgO, B, C ,

27、 Al 需要的熱壓溫度非常高：需要的熱壓溫度非常高：1900 - 22001900 - 2200 壓力：壓力：35 Mpa35 Mpa 熱壓后的碳化硅制品須用金剛石打磨、修整，很貴。熱壓后的碳化硅制品須用金剛石打磨、修整，很貴。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷41反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法 原材料為碳化硅粉、石墨和增塑劑混合料。原材料為碳化硅粉、石墨和增塑劑混合料。 粉狀材料被壓制、拉擠或注射到模具中，得到坯料。粉狀材料被壓制、拉擠或注射到模具中，得到坯料。 分解增塑劑。分解增塑劑。 滲入硅的固體、液體或氣體到坯料中與其中的碳反應(yīng)滲入硅的固體、液體或氣體到坯料中與其中的碳反應(yīng)原位形成碳化硅。原位形成碳化硅。在這

28、一工藝中，額外的在這一工藝中，額外的 2-12% 2-12%硅被滲入進去，以填充硅被滲入進去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。形成的空隙，因而可得到致密的制件。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷42用不同工藝制備的碳化硅的性能用不同工藝制備的碳化硅的性能四四點點彎彎曲曲強強度度( (M MP Pa a）楊楊 氏氏 模模量量，E E熱熱 膨膨 脹脹 系系數(shù)數(shù)，熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率25 10001375(GPa)(10-6 K-1)(W m-1 K-1)熱熱 壓壓 （ 添添加加 M Mg gO O）6906203303173.030 - 15燒燒 結(jié)結(jié) （ 添添加加 Y Y2 2O O3 3）655585275

29、2363.228 - 12反反應(yīng)應(yīng)燒燒結(jié)結(jié)（2 2. .4 45 5g gc cm m- -3 3）2103453801652.86 - 3碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 碳化硅的最大特點是碳化硅的最大特點是高溫強度高高溫強度高，有很好的耐磨，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力熱傳導(dǎo)能力很強，很強，僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密封件碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷用于制造碳化硅陶瓷用于制造火箭火箭噴嘴噴嘴、澆注金屬澆注金屬的喉管、的喉管、熱電偶熱電偶套管套管、爐管爐管、燃?xì)?、燃?xì)廨啓C輪機葉片葉片及及軸承軸承，泵的，泵的密密封圈封圈、拉絲成型、

30、拉絲成型模具模具等。等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 氧化鋯的氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變晶型轉(zhuǎn)變：立方相立方相 四方相四方相 單斜相單斜相。四。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化體積變化，易使制品開裂。易使制品開裂。ZrO2新型結(jié)構(gòu)陶瓷新型結(jié)構(gòu)陶瓷 在在氧化鋯氧化鋯中加入某些中加入某些氧化物氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。l減少加入的氧化物數(shù)量，減少加入的氧化物數(shù)量，