金屬及陶瓷基復(fù)合材料

1、金屬基復(fù)合材料及陶瓷基復(fù)合材料第一節(jié)金屬基復(fù)合材料金屬的特性：強(qiáng)度高，韌性好，塑性變形能力強(qiáng)，綜合機(jī)械性能好，通過(guò)熱處理可以大幅度改變機(jī)械性能。金屬材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好。不同的金屬材料耐蝕性相差很大，鈦、不銹鋼耐蝕性好，碳鋼、鑄鐵耐蝕性差。 一、金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體的復(fù)合材料，按增強(qiáng)體分類：1連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料2非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料包括顆粒、短纖維、晶須3自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；4層板金屬基復(fù)合材料按基體分有：鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鈦基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等，一般以鋁、鎂、鈦基復(fù)合材料開(kāi)展較為成熟。 按用途分： 結(jié)構(gòu)型功能型 二、 金

2、屬基復(fù)合材料的特點(diǎn)：1高比強(qiáng)度、比模量； 2導(dǎo)電、導(dǎo)熱性； 3熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；4良好的高溫性；5耐摩性好 三、金屬基復(fù)合材料的基體材料基體的作用：1固結(jié)增強(qiáng)體；2傳遞和承受各種載荷力、熱、電的作用；基體的含量：1在連續(xù)連維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，基體占50%70%；2顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，占8090%。3而晶須、短切纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的基體含量在70%以上，一般為8090%。四選擇基體的原那么金屬與合金的種類繁多，作為復(fù)合材料的基體有，鋁及其合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁、金屬間化合物等，基體材料的正確對(duì)能否充分組合和發(fā)揮金屬增強(qiáng)體的性能特點(diǎn)獲得預(yù)期優(yōu)異

3、綜合性能以滿足使用要求十分重要。金屬基復(fù)合材料的使用要求航天、航空技術(shù)比強(qiáng)度、比模量高，尺寸穩(wěn)定性好。飛行器和衛(wèi)星構(gòu)件宜選密度小的輕金屬合金鎂、鋁合金為基體，與高強(qiáng)、高模石墨纖維、硼纖維組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁等復(fù)合材料；高性能發(fā)動(dòng)機(jī)要求：高比強(qiáng)、比模量，優(yōu)良的耐高溫性能在高溫氧化性氣氛中工作。而選用鈦合金、鎳基合金及金屬間化合物，如碳化硅/鈦、镥、鎢絲/鎳基起合金復(fù)合材料，可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要求：耐熱、耐摩、導(dǎo)熱、一定高溫強(qiáng)度等，要求本錢低適合批量生產(chǎn)，那么選用鋁合金作為基體與陶瓷顆粒、短纖維組成復(fù)合材料，如碳化硅/鋁復(fù)合材料，氧化鋁/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)

4、機(jī)活塞、缸套等零件。電子工業(yè)集成電路高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅鋁等金屬基體與高導(dǎo)熱、低熱膨脹性的超高模石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅纖維復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率、高比強(qiáng)、比模量等性能的金屬基復(fù)合材料。 五、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體1航天、航空、汽車、先進(jìn)武器：選用鋁及鋁合金，鎂及鎂合金作為基體材料。2發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)：要求：工作溫度在6501200左右，良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞；良好的高溫力學(xué)性能使用溫度：鋁、鎂450左右，鈦合金：650，鎳、鈷基：1200用于450以下的輕質(zhì)金屬基體鋁鎂合金；用于450 700的復(fù)合材料：鈦金屬可用于高性

5、能發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)軸等部件；用于1000以上的高溫復(fù)合材料：主要是鎳基、鐵基復(fù)合材料和金屬間化合物，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。六、功能用金屬基復(fù)合材料1高力學(xué)性能，2高導(dǎo)熱性能；3低熱膨脹；4高電導(dǎo)率；5高抗電弧燒蝕性；6高摩擦系數(shù)和耐摩性等。電子封裝材料；耐摩材料；集電和電觸頭材料；七、金屬基復(fù)合材料的制造方法制備金屬基復(fù)合材料應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：1增強(qiáng)體的分散問(wèn)題;2制造過(guò)程對(duì)制品性能的影響；3制造過(guò)程中應(yīng)防止各種不利反響;4簡(jiǎn)單易行，適于批量生產(chǎn)，盡可能直接制成接近最終形狀和尺寸的零件。金屬基復(fù)合材料的制造難點(diǎn)及解決方法難點(diǎn)：1高溫下的界面反響、氧化反響等；2金屬與增強(qiáng)體之間浸潤(rùn)性差，甚至

6、不浸潤(rùn)；3將增強(qiáng)體按設(shè)計(jì)要求的含量、分布、方向均勻地分布；解決方法：1增強(qiáng)體外表處理作用是：有效防止的界面反響，相互擴(kuò)散，溶解等；有效改善基體與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性；優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性能外表處理方法：化學(xué)氣相沉積物理氣相沉積溶膠、凝膠法電鍍、化學(xué)鍍2)參加適當(dāng)合金元素，優(yōu)化合金成份有效改善金屬基體之間的浸潤(rùn)性；有效在防止界面反響；例如：參加鈦、鋯、鈮、鈰等元素，可有效改善纖維與鋁液的浸潤(rùn)性，3優(yōu)化工藝方法及工藝參數(shù)金屬基復(fù)合材料制造方法的分類歸納起來(lái)可分為四大類：1固態(tài)法；2液態(tài)成型法；3自生成法；4其它方法還有：復(fù)合涂鍍法；固態(tài)法1、粉未冶金法2、熱壓固結(jié)法也稱擴(kuò)散粘結(jié)法3、熱等靜壓法4、熱軋法5、

7、熱擠壓和熱拉法6、爆炸焊接法熱壓法 熱壓法和熱等靜壓法亦稱擴(kuò)散粘結(jié)法，是加壓焊接的一種，因此有時(shí)也稱擴(kuò)散焊接法。它是在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)行的。擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)程可分為三個(gè)階段：粘結(jié)外表之間的最初接觸，由于加熱和加壓使外表發(fā)生變形、移動(dòng)、外表膜(通常是氧化膜)破壞；隨著時(shí)間的進(jìn)行發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面密著粘結(jié)；由于熱擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，結(jié)過(guò)程完成。影響擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)程的主要參數(shù)是溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時(shí)間，其中溫度最為重要，氣氛對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有影響。熱壓工藝：1纖維與金屬基體制成復(fù)合材料預(yù)制片；2將預(yù)制片按設(shè)計(jì)要求裁剪成所需的形狀、疊層排

8、布(纖維方向)，視對(duì)纖維體積含量的要求，在疊層時(shí)添加基體箔；3將疊層故人模具內(nèi)，進(jìn)行加熱加壓，最終制得復(fù)合材料或零件。可惰性氣氛中進(jìn)行，也可在大氣中進(jìn)行也有用纖維織物與基體箔直接進(jìn)行熱壓制造復(fù)合材料及零件的。擴(kuò)散粘結(jié)法 熱壓溫度：溫度控制在基體合金的固相線和液相線之間。 熱壓壓力：選用壓力可在較大范圍內(nèi)變化，但過(guò)高容易損傷纖維，一般控制在10MPa以下。壓力的選擇與溫度有關(guān)，溫度高、壓力可適當(dāng)降低。 熱壓時(shí)間：時(shí)間在10-20minin即可。 熱壓氣氛：熱壓可以在大氣中進(jìn)行熱壓法是目前制造直徑較大的硼纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基、鈦基復(fù)合材料的主要方法，其產(chǎn)品作為航天飛機(jī)主倉(cāng)框架承力柱、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

9、、火倚部件等i得到應(yīng)用。熱壓法也是制造鎢絲-超合金、鎢絲-銅等復(fù)合材料的主要方法之一。熱等靜壓法熱等靜壓的工作原理：在高壓容器內(nèi)裝置加熱器，將金屬基體(粉末或箔)與增強(qiáng)材料(纖維、品須、顆粒)按一定比例混合或排布后，或用預(yù)制片疊層后放入金屬包套中，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱、加壓，復(fù)合成金屬基復(fù)合材料。熱等靜壓裝置的溫度可在數(shù)百度到2000范圍內(nèi)選擇，工作壓力可達(dá)100-200MPa。熱等靜壓原理示意圖熱等靜壓的工藝關(guān)鍵： 溫度：溫度低于熱壓溫度，以防止嚴(yán)重界面反響壓力：壓力是根據(jù)基休金屬在高溫下變形的難易程度而定易變形的金屬壓力選擇低一些，難變形的金屬那么選擇較高的壓力。保溫保壓時(shí)間：

10、主要根據(jù)工件的大小確定。熱等靜壓工藝有三種：即先升壓后升溫其特點(diǎn)是無(wú)需將工作壓力升到最終所要求的最高壓力隨著溫度升高，氣體膨脹、壓力不斷升高直至到達(dá)需要壓力，這種工藝適合于金屬包套工件的制造；先升溫后升壓，此工藝對(duì)于用玻璃包套制造復(fù)合材料比較適宜因?yàn)椴Ａг谝欢囟认萝浕?，加壓時(shí)不會(huì)發(fā)生破裂，可有效傳遞壓力；同時(shí)升溫升壓，這種工藝適合于低壓成型、裝入量大、保溫時(shí)間長(zhǎng)的工件制造。熱等靜壓適用于多種復(fù)合材料的管、筒、柱及形狀復(fù)雜零件的制造。特別適用于鈦、金屬間化合物、超合金基復(fù)合材料，產(chǎn)品的組織均勻致密，無(wú)縮孔、氣孔等缺陷，形狀、尺寸精確，性能均勻。熱等靜壓法的主要缺點(diǎn)是設(shè)備投資大、工藝周期長(zhǎng)、本錢

11、高。熱軋法、熱擠壓法和熱拉法熱軋法、熱擠壓法和熱拉法都是金屬材料中成熟的塑性成型加工工藝，這里移植來(lái)用于制造復(fù)合材料。熱軋法主要用來(lái)將已復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料錠坯進(jìn)一步加工成扳材。也可將由金屬箔和連續(xù)纖綻組成的預(yù)制片制成板材，例如鋁箔與硼纖維、鋁箔與鋼絲。為了提高粘結(jié)強(qiáng)度，常在纖維上涂銀、鎳、銅等涂層，軋制時(shí)為了防止氧化常用鋼板包覆。熱擠壓和熱拉主要用于顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料的進(jìn)一步加工，制成各種形狀的管材、型材等。經(jīng)擠壓、拉拔后復(fù)合材料的組織變得均勻、缺陷減少或消除，性能明顯提高，短纖維和品須還有一定的擇優(yōu)取向，軸向抗拉強(qiáng)度提高很多。熱擠壓和熱拉法：在

12、基體金屬坯料上鉆長(zhǎng)孔，將增強(qiáng)金屬制成棒放入基體金屬的孔中，密封后進(jìn)行熱擠壓或熱拉，增強(qiáng)金屬棒變成絲；也有將顆?；蚓ы毰c基體金屬粉末混勻后裝入金屬管中密封后直接熱擠壓或熱拉成復(fù)合材料管材或棒材的。熱拉金屬基復(fù)合材料工藝示意圖爆炸焊接法爆炸焊接法是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大脈沖應(yīng)力，通過(guò)使碰撞使材料發(fā)生塑政變形、粘結(jié)處金屬的局部擾動(dòng)以及熱過(guò)程使材料焊接起來(lái)。如果用金屬絲作增強(qiáng)材料，為了防止彎曲和移動(dòng)應(yīng)將其固定或編織好?；w和金屬絲在焊前必須除去外表的氧化膜和污物。爆炸焊接的特點(diǎn)是作用時(shí)間短、材料的溫度低，不必?fù)?dān)憂發(fā)生界面反響。用爆炸焊接可以制造形狀復(fù)雜的零件和大尺寸的板材，需要時(shí)一次作業(yè)可得多塊復(fù)合板

13、。此法主要用來(lái)制造金屬層合板和金屬絲增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，例如鋼絲增強(qiáng)鋁、銅絲或鎢絲增強(qiáng)鈦、鎢絲增強(qiáng)鎳等復(fù)合材料。爆炸焊接液態(tài)法液態(tài)法是制備金屬基復(fù)合材料的主要方法：真空壓力浸漬法；共噴沉積；擠壓鑄造；真空吸鑄；攪拌鑄造等方法真空壓力浸漬法真空壓力浸浸法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓人增強(qiáng)材料的預(yù)制件，制備金屬基復(fù)合材料零件的一種方法。它兼?zhèn)湔婵瘴T和壓力鑄造的優(yōu)點(diǎn)，由美國(guó)的Alcon公司于1960年最先創(chuàng)造典型底部壓入式真空壓力浸漬爐結(jié)構(gòu)真空壓力浸漬法制備金屬基復(fù)合材料過(guò)程中，預(yù)制件的制備和工藝參數(shù)的控制是得到高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵。復(fù)合材料中纖維、顆粒等增強(qiáng)材料的含量、分布、排

14、列方向是由預(yù)制件決定的。擠壓鑄造法擠壓鑄造法是通過(guò)壓機(jī)將液態(tài)金屬?gòu)?qiáng)行壓入增強(qiáng)材料的預(yù)制件預(yù)制件經(jīng)枯燥預(yù)熱后放入摸具中，澆注入熔融金屬，加壓壓力為70一100MPa液態(tài)金屬在壓力下浸漬入預(yù)制件中，并在壓力下凝固。影響復(fù)合材料的性能的因素：1、預(yù)制件的質(zhì)量；2、模具的設(shè)計(jì)；3、預(yù)制件預(yù)熱溫度；4、熔體溫度；5、壓力；液態(tài)金屬攪拌鑄造法這種方法的根本原理是將顆粒直接參加到基體金屬熔體中，通過(guò)一定方式的攪拌使穎粒均勻地分散在金屬熔體中并與之復(fù)合，然后澆鑄成錠坯、鑄件等。攪拌鑄造法主要問(wèn)題：1、為了提高增強(qiáng)效果要求參加尺寸細(xì)小的顆粒目前一般在10-30um之間，顆粒與金屬增體的潤(rùn)濕性差，不易進(jìn)入和均勻分

15、散在金屬熔體中，產(chǎn)生團(tuán)聚；2、強(qiáng)烈的攪拌容易造成金屬熔體的氧化和大旦吸入空氣。因此必須采取有效的措施來(lái)改善金屬熔體對(duì)顆粒的潤(rùn)濕性，防止金屬的氧化和吸氣。主要措施：在金屬熔體中添加合金元素。顆粒外表處理；復(fù)合過(guò)程的氣氛控制；有效的機(jī)械攪拌。液態(tài)金屬浸漬法用液態(tài)金屬連續(xù)浸漬長(zhǎng)纖維，得到復(fù)合材科預(yù)制品(帶、絲等)的一種方法，有時(shí)也稱連鑄法。由于在液態(tài)金屬中容易分散、復(fù)合完全，因此特別適用于一束多絲、直徑細(xì)的連續(xù)長(zhǎng)纖維。共噴沉積法共噴沉積法是制造各種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的有效方法，1960年由Siager創(chuàng)造，隨后由Ospray金屬開(kāi)展成工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的制造技術(shù)，可用來(lái)制造鋁、銅、鎳、鐵、金屬間化合物

16、基復(fù)合材料。根本原理是：液態(tài)金屑基體通過(guò)特殊的噴嘴，在隋性氣體氣流的作用下霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬沉，噴向襯底將顆粒參加到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料。共噴沉積法的特點(diǎn)：適用面廣?？捎糜阡X、銅、鎳、鉆等有色金同基體，也可用于鐵、金屬間化合物基體，可參加sic、Al2O3、石墨等多種顆粒產(chǎn)品可以是圓棒、圓錠、板帶、管材等。生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、效率高。與粉末冶金法相比，不必先制成金屬粉末，然后再與顆?；旌?、壓型、燒結(jié)等工序，而是快速一次復(fù)合成坯料，霧化速率可達(dá)25-100Kgmin，沉淀凝固迅速。冷卻速度大。所得復(fù)合材料基體金屬的組織與快速凝固相近，晶粒細(xì)、無(wú)宏

17、觀偏析、組織均勻。顆粒分布均勻。在嚴(yán)格控制工藝參數(shù)的條件下顆粒在基體中的分布均勻。復(fù)合材料中的氣孔卒較大。氣孔率在2%-5%之間，但經(jīng)擠壓處理后可消除氣孔獲得致密材科。熱噴涂法根據(jù)熱源的術(shù)同熱噴涂分為等離子噴涂和氧-乙炔陷噴涂等離子噴涂是利用等離子弧的高溫將基體熔化后噴射到工件(增強(qiáng)材料)上，冷卻并沉積下來(lái)的一種復(fù)合方法。具體過(guò)程是先將纖維纏繞在包有基體金屬箔的圓筒上、纖維之間保持一定的間隔，然后放在噴涂室中進(jìn)行噴徐，過(guò)程結(jié)束后剪開(kāi)取下，得到復(fù)合材料預(yù)制片，經(jīng)熱壓或熱等擠壓等二次處理，最終得到型材或零件。等離子噴涂法適用于直徑較租的纖維單絲,例如用化學(xué)氣相沉積法得到的硼纖維和碳化硅纖維它是制造

18、這兩種纖維增強(qiáng)鉛、鈦基復(fù)合材料項(xiàng)制片的大規(guī)模生產(chǎn)方法。美國(guó)和原蘇聯(lián)在航天飛機(jī)上使用的、也是最早使用的金屬基復(fù)合材料-硼-鋁復(fù)臺(tái)材料，以及美國(guó)的碳化硅鈦復(fù)合材料，就是用等離子噴涂法制得預(yù)制片然后用熱壓或熱等靜壓法加工而成的。其它制造方法一、原位自生成法1定向凝固法：定向凝固法制造定向凝固共晶復(fù)合材料是在共晶合金凝固過(guò)程中，通過(guò)控制冷凝方向，在基體中生長(zhǎng)出排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀共晶增強(qiáng)材料，而得到金屬基復(fù)合材料的一種方法。2反響自生成法: 其特點(diǎn)是增強(qiáng)材料在基體中通過(guò)反響生，而不是外加。二、 物理氣相沉積法 物理氣相沉積的實(shí)質(zhì)是材料源的不斷氣化和在基材上的冷凝沉積，最終獲得涂層，制備金屬

19、基復(fù)合材料的預(yù)制片(絲)三、化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法是化合物以氣態(tài)、在一定的溫度條件下發(fā)生分解或化學(xué)反響，分解或反響產(chǎn)物以固態(tài)沉積在工件上得到徐層的一種方法。四、電鍍、化學(xué)鍍和復(fù)合鍍法電鍍是利用電化學(xué)原理，在直流電場(chǎng)作用廠將金屬?gòu)暮衅潆x子的電解液中沉積在工件(增強(qiáng)材料一般為纖維)上。通常將需要涂覆的金屑作為陽(yáng)極，它不斷溶解于電解液中，其中的金屑離子不斷向圖極遷移，沉積在工件上。電鍍的兩個(gè)根本要求是作為陰極的增強(qiáng)材料(纖維)必須導(dǎo)電，基體金屬必須形成穩(wěn)定的電解液。第二節(jié)陶瓷基復(fù)合材料 基體材料-陶瓷早在新石器時(shí)代(公元前6000年公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土(主要成分為SiO

20、2，Al2O3)燒制成陶器。 我國(guó)在東漢時(shí)期創(chuàng)造了瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國(guó)家。瓷器于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，十五世紀(jì)傳到歐洲。 傳統(tǒng)意義上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦等。這些材料都是用粘土、石灰石、長(zhǎng)石、石英等天然硅酸鹽類礦物制成的。因此，傳統(tǒng)的陶瓷材料是指硅酸鹽類材料?，F(xiàn)今意義上的陶瓷材料已有了巨大變化，許多新型陶瓷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽的范疇，不僅在性能上有了重大突破，在應(yīng)用上也已滲透到各個(gè)領(lǐng)域。所以, 一般認(rèn)為，陶瓷材料是指各種無(wú)機(jī)非金屬材料的通稱一、陶瓷的分類1、普通陶瓷 普通陶瓷也叫傳統(tǒng)陶瓷，其主要原料是粘土(Al2O32SiO2

21、2H2O)、石英(SiO2)和長(zhǎng)石(K2OAl2O36SiO2)。組分的配比不同，陶瓷的性能會(huì)有所差異。 例如：長(zhǎng)石含量高時(shí)，熔化溫度低而使陶瓷致密，表現(xiàn)在性能上即是抗電性能高、耐熱性能及機(jī)械性能差；粘土或石英含量高時(shí)，燒結(jié)溫度高而使得陶瓷的抗電性能差，但有較高的熱性能和機(jī)械性能。 普通陶瓷堅(jiān)硬而脆性較大，絕緣性和耐蝕性極好。由于其制造工藝簡(jiǎn)單、本錢低廉，因而在各種陶瓷中用量最大。 普通陶瓷通常分為日用陶瓷和工業(yè)陶瓷兩大類。 普通日用陶瓷 一、普通日用陶瓷的用途和特點(diǎn) 日用陶瓷主要用作日用器皿和瓷器，一般具有良好的光澤度、透明度，熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較高。 二、常用普通日用陶瓷 1長(zhǎng)石質(zhì)瓷 國(guó)內(nèi)

22、外常用的日用瓷，作一般工業(yè)瓷制品。 2絹云母質(zhì)瓷 我國(guó)的傳統(tǒng)日用瓷。 3骨質(zhì)瓷 近些年得到廣泛應(yīng)用，主要作高級(jí)日用瓷制品。 4滑石質(zhì)瓷 我國(guó)開(kāi)展的綜合性能好的新型高質(zhì)瓷。 5高石英質(zhì)日用瓷 最近我國(guó)研制成功，石英含量 40%，瓷質(zhì)細(xì)膩、色調(diào)柔和、透光度好、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。 日用器皿 藝術(shù)陶瓷 普通工業(yè)陶瓷一、建筑衛(wèi)生瓷 用于裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等，通常尺寸較大，要求強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。 建筑陶瓷衛(wèi)生陶瓷建筑陶瓷 衛(wèi)生陶瓷 二、化學(xué)化工瓷 用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室中的管道設(shè)備、耐蝕容器及實(shí)驗(yàn)器皿等，通常要求耐各種化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力要強(qiáng)。三、電工瓷 主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶

23、瓷，要求機(jī)械性能高、介電性能和熱穩(wěn)定性好。 絕緣瓷瓶 特種陶瓷 特種陶瓷也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷，包括特種結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。工程上最重要的是高溫陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。氧化物陶瓷 氧化物陶瓷熔點(diǎn)大多2000 以上, 燒成溫度約1800 ；單相多晶體結(jié)構(gòu)，有時(shí)有少量氣相；強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，在1000 以下時(shí)一直保持較高強(qiáng)度，隨溫度變化不大；純氧化物陶瓷任何高溫下都不會(huì)氧化。 一、氧化鋁剛玉陶瓷 氧化鋁的結(jié)構(gòu)是O2-排成密排六方結(jié)構(gòu)，Al3+占據(jù)間隙位置。 根據(jù)含雜質(zhì)的多少, 氧化鋁呈紅色(如紅

24、寶石)或藍(lán)色(如藍(lán)寶石)；實(shí)際生產(chǎn)中, 氧化鋁陶瓷按Al2O3含量可分為75、95和99等幾種 氧化鋁熔點(diǎn)達(dá)2050 ，抗氧化性好，廣泛用于耐火材料； 較高純度的Al2O3粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)后得到剛玉耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管等； 微晶剛玉的硬度極高僅次于金剛石，紅硬性達(dá)1200 ，可作要求高的工具如切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。很高的電阻率和低的導(dǎo)熱率，是很好的電絕緣材料和絕熱材料。強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度均較高是普通陶瓷的5倍，是很好的高溫耐火結(jié)構(gòu)材料，如可作內(nèi)燃機(jī)火花塞、空壓機(jī)泵零件等。 單晶體氧化鋁可做藍(lán)寶石激光器； 氧化鋁管坯做鈉蒸氣照明燈泡。氧化鋁熱電偶套管氧化鋁陶瓷密

25、封環(huán) 氧化鋁陶瓷噴咀 二、氧化鈹陶瓷 氧化鈹陶瓷具備一般陶瓷的特性，導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，強(qiáng)度低，抗熱沖擊性較高；消散高能輻射的能力強(qiáng)、熱中子阻尼系數(shù)大。 氧化鈹陶瓷制造坩堝，作真空陶瓷和原子反響堆陶瓷，氣體激光管、晶體管散熱片和集成電路的基片和外殼等。三、氧化鋯陶瓷 氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)在2700 以上，耐2300 高溫，推薦使用溫度2000 2200 ；能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和1800 以上的發(fā)熱體及爐子、反響堆絕熱材料等；氧化鋯作添加劑大大提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性，氧化鋯增韌陶瓷可替代金屬制造模具、拉絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。碳化物陶瓷 碳化物陶

26、瓷有很高的熔點(diǎn)、硬度近于金剛石和耐磨性特別是在浸蝕性介質(zhì)中，缺點(diǎn)是耐高溫氧化能力差約900 1000 、脆性極大。 一、碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷密度為 3.2103 kg/m3，彎曲強(qiáng)度為 200 MPa250 MPa，抗壓強(qiáng)度1000 MPa1500 MPa，硬度莫氏9.2，熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)很小，在900 1300 時(shí)慢慢氧化。 主要用于制造加熱元件、石墨外表保護(hù)層以及砂輪及磨料等。 碳化硅陶瓷坩堝 碳化硅陶瓷密封件 二、碳化硼陶瓷 碳化硼陶瓷硬度極高，抗磨粒磨損能力很強(qiáng)；熔點(diǎn)達(dá)2450 ，高溫下會(huì)快速氧化，與熱或熔融黑色金屬發(fā)生反響，使用溫度限定在980 以下。主要用于作磨料，有時(shí)用于

27、制造超硬質(zhì)工具材料。三、其它碳化物陶瓷 碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯陶瓷的熔點(diǎn)和硬度都很高，在2000 以上的中性或復(fù)原氣氛作高溫材料；碳化鈮、碳化鈦還可用于2500 以上的氮?dú)鈿夥罩械母邷夭牧稀?硼化物陶瓷 硼化物陶瓷有硼化鉻、硼化鉬、硼化鈦、硼化鎢和硼化鋯等。 硼化物陶瓷具有高硬度, 同時(shí)具有較好的耐化學(xué)浸蝕能力。熔點(diǎn)范圍為1800 2500 。比起碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有較高的抗高溫氧化性能，使用溫度達(dá)1400 。 硼化物主要用于高溫軸承、內(nèi)燃機(jī)噴嘴、各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等。 各種硼化物還用作電觸點(diǎn)材料。氮化物陶瓷 一、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是鍵能高而穩(wěn)定的共

28、價(jià)鍵晶體；硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤(rùn)滑作用，是優(yōu)良的耐磨減摩材料；氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低，而抗氧化溫度高于碳化物和硼化物；1200 以下具有較高的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊，可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料；耐各種無(wú)機(jī)酸氫氟酸除外和堿溶液浸蝕，優(yōu)良的耐腐蝕材料。 反響燒結(jié)法得到的-Si3N4用于制造各種泵的耐蝕、耐磨密封環(huán)等零件。 熱壓燒結(jié)法得到的-Si3N4, 用于制造高溫軸承、轉(zhuǎn)子葉片、靜葉片以及加工難切削材料的刀具等。 在Si3N4中加一定量Al2O3燒制成陶瓷可制造柴油機(jī)的氣缸、活塞和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪。氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷滾珠 二、氮化硼陶瓷 六方氮化硼為六方晶體結(jié)

29、構(gòu)，也叫白色石墨；硬度低，可進(jìn)行各種切削加工；導(dǎo)熱和抗熱性能高，耐熱性好，有自潤(rùn)滑性能；高溫下耐腐蝕、絕緣性好。用于高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤(rùn)滑劑等。 在高壓和1360 時(shí)六方氮化硼轉(zhuǎn)化為立方-BN，硬度接近金剛石的硬度，用作金剛石的代用品, 制作耐磨切削刀具、高溫模具和磨料等。氮化硼刀具 三、氮化鈦陶瓷 硬度高1800HV)、耐磨。刃具外表涂層、耐磨零件外表涂層。金黃色，裝飾外表。陶瓷材料的性能 一、陶瓷的機(jī)械性能 1. 剛度 陶瓷剛度由彈性模量衡量各類材料中最高，因?yàn)樘沾删哂泻軓?qiáng)的結(jié)合鍵。 各種常見(jiàn)材料的彈性模量和硬度材料 彈性模量/MPa 硬度/HV 橡膠 6.9 很低 塑料 13

30、80 17 鋁合金 72300 170 鋼 207000 300800 碳化鈦 390000 3000 金剛石 1171000 600010000 彈性模量對(duì)組織不敏感；氣孔降低彈性模量；溫度升高彈性模量也降低。 2. 硬度 陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)合鍵強(qiáng)度高。 陶瓷硬度 陶瓷硬度為1000 HV5000 HV, 淬火鋼為500 HV800 HV, 高聚物最硬不超過(guò)20 HV。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低, 但在高溫下仍有較高的數(shù)值。 3. 強(qiáng)度 晶界使陶瓷實(shí)際強(qiáng)度比理論值低得多（1/10001/100）。 晶界上有晶粒間的局部分離或空隙；晶界上原子間鍵被拉長(zhǎng), 鍵強(qiáng)度被削弱；相同電

31、荷離子的靠近產(chǎn)生斥力, 會(huì)造成裂縫。 陶瓷的晶界結(jié)構(gòu) 致密度、雜質(zhì)和各種缺陷影響陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度。 剛玉Al2O3陶瓷塊抗拉強(qiáng)度為280 MPa 。 剛玉陶瓷纖維缺陷少，抗拉強(qiáng)度為2100 MPa ，提高12個(gè)數(shù)量級(jí)。陶瓷強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力狀態(tài)特別敏感，抗拉強(qiáng)度很低，抗彎強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度很高。 4. 塑性 陶瓷在室溫下幾乎沒(méi)有塑性。陶瓷晶體滑移系很少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需切應(yīng)力很大；共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性，離子鍵的同號(hào)離子接近時(shí)斥力很大；在高溫慢速加載，特別是組織中存在玻璃相時(shí)，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。 5. 韌性 (1) 陶瓷是非常典型的脆性材料 沖擊韌性10 kJ/m2以下, 斷裂韌性值很低。 (2

32、) 對(duì)外表狀態(tài)特別敏感 由于外表劃傷、化學(xué)侵蝕、冷熱脹縮不均等，很易產(chǎn)生細(xì)微裂紋；受載時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，由于不能由塑性變形使高的應(yīng)力松弛，所以裂紋很快擴(kuò)展，表現(xiàn)出很高的脆性。 (3) 改善陶瓷韌性的方法 預(yù)防陶瓷中特別是外表上產(chǎn)生缺陷；在陶瓷外表形成壓應(yīng)力如加預(yù)壓應(yīng)力可做成不碎陶瓷；消除陶瓷外表的微裂紋。陶瓷材料的性能 一、陶瓷的機(jī)械性能 1. 剛度 陶瓷剛度由彈性模量衡量各類材料中最高，因?yàn)樘沾删哂泻軓?qiáng)的結(jié)合鍵。 各種常見(jiàn)材料的彈性模量和硬度材料 彈性模量/MPa 硬度/HV 橡膠 6.9 很低 塑料 1380 17 鋁合金 72300 170 鋼 207000 300800

33、碳化鈦 390000 3000 金剛石 1171000 600010000 彈性模量對(duì)組織不敏感；氣孔降低彈性模量；溫度升高彈性模量也降低。 2. 硬度 陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)合鍵強(qiáng)度高。 陶瓷硬度 陶瓷硬度為1000 HV5000 HV, 淬火鋼為500 HV800 HV, 高聚物最硬不超過(guò)20 HV。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低, 但在高溫下仍有較高的數(shù)值。 3. 強(qiáng)度 晶界使陶瓷實(shí)際強(qiáng)度比理論值低得多（1/10001/100）。 晶界上有晶粒間的局部分離或空隙；晶界上原子間鍵被拉長(zhǎng), 鍵強(qiáng)度被削弱；相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力, 會(huì)造成裂縫。 陶瓷的晶界結(jié)構(gòu) 致密度、雜質(zhì)和各種

34、缺陷影響陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度。 剛玉Al2O3陶瓷塊抗拉強(qiáng)度為280 MPa 。 剛玉陶瓷纖維缺陷少，抗拉強(qiáng)度為2100 MPa ，提高12個(gè)數(shù)量級(jí)。陶瓷強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力狀態(tài)特別敏感，抗拉強(qiáng)度很低，抗彎強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度很高。 4. 塑性 陶瓷在室溫下幾乎沒(méi)有塑性。陶瓷晶體滑移系很少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需切應(yīng)力很大；共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性，離子鍵的同號(hào)離子接近時(shí)斥力很大；在高溫慢速加載，特別是組織中存在玻璃相時(shí)，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。 5. 韌性 (1) 陶瓷是非常典型的脆性材料 沖擊韌性10 kJ/m2以下, 斷裂韌性值很低。 (2) 對(duì)外表狀態(tài)特別敏感 由于外表劃傷、化學(xué)侵蝕、冷熱脹縮不均等，很易產(chǎn)生

35、細(xì)微裂紋；受載時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，由于不能由塑性變形使高的應(yīng)力松弛，所以裂紋很快擴(kuò)展，表現(xiàn)出很高的脆性。 (3) 改善陶瓷韌性的方法 預(yù)防陶瓷中特別是外表上產(chǎn)生缺陷；在陶瓷外表形成壓應(yīng)力如加預(yù)壓應(yīng)力可做成不碎陶瓷；消除陶瓷外表的微裂紋。 陶瓷材料的性能 一、陶瓷的機(jī)械性能 1. 剛度 陶瓷剛度由彈性模量衡量各類材料中最高，因?yàn)樘沾删哂泻軓?qiáng)的結(jié)合鍵。 各種常見(jiàn)材料的彈性模量和硬度材料 彈性模量/MPa 硬度/HV 橡膠 6.9 很低 塑料 1380 17 鋁合金 72300 170 鋼 207000 300800 碳化鈦 390000 3000 金剛石 1171000 6000100

36、00 2. 硬度 陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)合鍵強(qiáng)度高。 陶瓷硬度為1000 HV5000 HV, 淬火鋼為500 HV800 HV, 高聚物最硬不超過(guò)20 HV。陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低, 但在高溫下仍有較高的數(shù)值。3. 強(qiáng)度 晶界使陶瓷實(shí)際強(qiáng)度比理論值低得多1/10001/100。 晶界上有晶粒間的局局部離或空隙；晶界上原子間鍵被拉長(zhǎng), 鍵強(qiáng)度被削弱；相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力, 會(huì)造成裂縫。陶瓷的晶界結(jié)構(gòu)剛玉Al2O3陶瓷塊抗拉強(qiáng)度為280 MPa 。剛玉陶瓷纖維缺陷少，抗拉強(qiáng)度為2100 MPa 4. 塑性 陶瓷在室溫下幾乎沒(méi)有塑性。5. 韌性 (1) 陶瓷是非常典型的脆性

37、材料 沖擊韌性10 kJ/m2以下, 斷裂韌性值很低。 (2) 對(duì)外表狀態(tài)特別敏感 由于外表劃傷、化學(xué)侵蝕、冷熱脹縮不均等，很易產(chǎn)生細(xì)微裂紋；受載時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，由于不能由塑性變形使高的應(yīng)力松弛，所以裂紋很快擴(kuò)展，表現(xiàn)出很高的脆性。 (3) 改善陶瓷韌性的方法 預(yù)防陶瓷中特別是外表上產(chǎn)生缺陷；在陶瓷外表形成壓應(yīng)力如加預(yù)壓應(yīng)力可做成不碎陶瓷；消除陶瓷外表的微裂紋。 陶瓷的物理性能和化學(xué)性能熱膨脹性能陶瓷的線膨脹系數(shù)很低，比高聚物低，比金屬更低。 2. 導(dǎo)熱性 由于陶瓷無(wú)自由電子傳熱，導(dǎo)熱性很低，較好絕熱材料。 3. 熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性很低比金屬低得多：線膨脹系數(shù)大和導(dǎo)熱性低。 4

38、. 化學(xué)穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很好的耐火材料和坩堝材料。金屬原子被屏蔽在緊密排列的間隙中，很難再同介質(zhì)中的氧發(fā)生作用；對(duì)酸、堿、鹽等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)均有較強(qiáng)的抵抗能力，與許多金屬的熔體也不發(fā)生作用。 5. 導(dǎo)電性 變化范圍很廣：由于缺乏電子導(dǎo)電機(jī)制, 多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體；不少陶瓷既是離子導(dǎo)體, 又有一定的電子導(dǎo)電性；許多氧化物ZnO、NiO、Fe3O4是重要的半導(dǎo)體材料。陶瓷的性能特點(diǎn)是:具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、不老化性、高的硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差,不易加工。 陶瓷原料與制坯1、凡經(jīng)粉未狀出產(chǎn)的原料稱為可塑性原料，2、而必須先經(jīng)

39、粉碎才能使用的那么稱為非可塑性原料。1、陶瓷原料的種類和性質(zhì)1粘土與高岒土Al2O32SiO22H2O2蠟石 Al2O3SiO2H2O；3膨潤(rùn)土Al2O34SiO2H2On H2O4瓷石；5滑石；6二氧化硅原料；7熔劑原料；8其它陶瓷原料； 陶瓷的加工制作陶瓷坯體時(shí)必須先將原料做成粉體，使用化學(xué)藥品為原料時(shí)，有時(shí)需要事先在某溫度下煅燒，然后才粉碎。調(diào)制坯體的重點(diǎn)在于粒度分布，合理的粒度分布就是最緊密充填的，一般陶瓷坯土只要通過(guò)200250目篩即可。 陶瓷的坯體成型陶瓷坯體在成型時(shí)應(yīng)盡可能在模型中均勻地填充原料粉未，即填充到坯體的各種局部。其中水份、化學(xué)組成、氣泡多少以及顆粒的分配狀態(tài)都應(yīng)盡可能

40、均勻。1、注漿成型法注漿成型法是將坯料泥漿注入石膏模內(nèi)，石膏將水中所懸浮的粘土與水一起吸引至模的外表，此時(shí)，泥漿中的水?dāng)U散到石膏模之中而被吸收，而在模面上形成水少的泥漿層，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，該層變硬。時(shí)間越長(zhǎng)泥層越厚。2、可塑性成型法又稱塑性成型法。是用練土狀態(tài)的坯泥，即具有可用于捏練狀態(tài)的濕坯泥成型方法，坯泥中水份大約在1525%。 3、加壓成型法4、等靜壓法利用壓力將干粉料在模具中壓制成型。 陶瓷燒制陶瓷的燒制在專業(yè)上稱燒成，燒成是將由粉未做成的坯體，利用熱的作用使之硬固。由粉未成型的坯體經(jīng)燒成而堅(jiān)硬一般稱為燒結(jié)，燒結(jié)機(jī)理是，顆粒在接觸點(diǎn)處的離子因熱振動(dòng)擴(kuò)散而完成的。燒成后不生成玻璃相而固結(jié)的這種燒成稱固相燒結(jié)，一般瓷器坯體會(huì)產(chǎn)生玻璃相而固結(jié)那么稱為液相燒結(jié)。影響燒成的因素如下：1化學(xué)組成2粒度分布；3填充密度及體密度；4燒成溫度與時(shí)間；5冷卻速度；6燒成中的氣氛；陶瓷的原料通常是由粘土、石英和長(zhǎng)石三局部組成。在加熱燒成或燒結(jié)和冷卻過(guò)程中，