第五章+陶瓷材料的連接課件1

第五章陶瓷材料的連接主要內(nèi)容陶瓷材料的性能特點(diǎn)陶瓷連接的要求和存在的問(wèn)題陶瓷材料的焊接性問(wèn)題陶瓷材料的連接方法1.陶瓷材料概論

1.1陶瓷的概念第一節(jié)陶瓷材料的性能特點(diǎn)陶瓷的英文名為Ceramic，起源于希臘語(yǔ)Keramos(意為陶器)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)等人工合成的無(wú)機(jī)非金屬材料。特種陶瓷普通陶瓷陶瓷日用陶瓷（包括藝術(shù)陳列陶瓷）建筑衛(wèi)生陶瓷化工陶瓷化學(xué)瓷電瓷及其他工業(yè)用陶瓷1.2陶瓷的分類按陶瓷概念和用途來(lái)分類結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷，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、抗氧化等特性，作為結(jié)構(gòu)部件使用的陶瓷材料。功能陶瓷，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性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)某種使用功能的特種陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷

氧化鋁陶瓷氧化鋯陶瓷

氧化鈹?shù)?/p>

碳化物陶瓷

功能陶瓷裝置瓷

電容器陶瓷

高鋁瓷

鎂質(zhì)瓷非鐵電電容器陶瓷反鐵電電容器陶瓷鐵電電容器陶瓷壓電陶瓷

磁性瓷導(dǎo)電陶瓷和超導(dǎo)陶瓷

其他功能陶瓷

特種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷區(qū)別物質(zhì)結(jié)構(gòu)：指組成材料的化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)：指在顯微鏡下看到的結(jié)構(gòu)陶瓷具有多相多晶體結(jié)構(gòu)：由晶相(1)、玻璃相(2)和氣相(3)所組成1.3

陶瓷材料的結(jié)構(gòu)（1）晶相晶相是陶瓷材料的主要組成相，對(duì)陶瓷的性能起決定性作用。晶相的性質(zhì)：①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)，是陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高耐熱性、高硬度、高耐蝕性和無(wú)塑性的根本原因氧化物結(jié)構(gòu)的結(jié)合鍵以離子鍵為主，又稱離子晶體。Si3N4、SiC、BN等以共價(jià)鍵為主，稱共價(jià)晶體。陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)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)合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價(jià)鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價(jià)鍵離子鍵α-石英870℃α-鱗石英1470℃α-方石英1713℃熔融SiO2573℃β-石英163℃β-鱗石英117℃γ-鱗石英180~270℃β－方石英急冷加熱石英玻璃SiO2的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變②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)③

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)韌性的有效措施晶粒愈細(xì)，陶瓷的強(qiáng)度愈高。如剛玉（Al2O3）晶粒平均尺寸為200μm時(shí)，抗彎強(qiáng)度為74MPa，1.8μm時(shí)抗彎強(qiáng)度可高達(dá)570MPa。④主晶相的性質(zhì)是決定陶瓷性能的主要因素

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)形成的液相在冷卻凝固時(shí)形成的非晶態(tài)物質(zhì)。（2）玻璃相玻璃相的作用將分散的晶相粘結(jié)在一起；降低燒結(jié)溫度；抑制晶相的晶粒長(zhǎng)大填充氣孔。氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常為5~10%，要力求使其呈球狀，均勻分布。氣孔對(duì)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。（3）氣相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(guò)濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時(shí)氣孔率可高達(dá)60％。氧化鋯陶瓷缺陷2.結(jié)構(gòu)陶瓷的性能特點(diǎn)(1)

線脹系數(shù)比金屬低，大約10-5~10-6K銅：17.7×10-6K鋁：23×10-6K鐵：11.76×10-6K鎂：24.3×10-6K

隨氣孔率增加，陶瓷的熱脹系數(shù)降低。(2)

熔點(diǎn)比金屬高得多，一般在2000℃以上銅：1083℃鋁：660℃鐵：1538℃鎂：650℃

故陶瓷高溫強(qiáng)度和高溫蠕變抗力優(yōu)于金屬。2.1物理性能(3)

導(dǎo)電性大多數(shù)是良好的絕緣體也有一些半導(dǎo)體，如NiO、Fe3O4等(4)

導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性差，大多為良好的絕熱體

λ=10-2~10-5W/m·K隨氣孔率增加，陶瓷的熱導(dǎo)率降低(5)

有些陶瓷具有特殊的光學(xué)性能紅寶石（α-Al2O3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)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。(6)

磁性磁性陶瓷又名鐵氧體或鐵淦氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn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。2.2化學(xué)性能

化學(xué)穩(wěn)定性高原因：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)。表現(xiàn)：抗氧化(不再與介質(zhì)中的氧發(fā)生作用，甚至在1000℃的高溫下也不會(huì)氧化)

抗腐蝕(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)2.3力學(xué)性能(1)

硬度硬度是各類材料中最高的，可作為刀具材料使用高聚物＜20HV淬火鋼500~800HV

陶瓷1000~5000HV(2)

強(qiáng)度抗壓不抗拉，

(抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí))，抗彎(抗彎強(qiáng)度高)。內(nèi)部存在微裂紋和氣孔等缺陷，是導(dǎo)至陶瓷材料抗拉強(qiáng)度較低的原因：高彈性模量，E=100~400GPa（金屬：210）韌性陶瓷硬度壓痕脆性陶瓷硬度壓痕周圍的裂紋(3)

塑性在室溫幾乎沒(méi)有塑性，韌性差，脆性大，是陶瓷的最大缺點(diǎn)。沖擊韌性、斷裂韌性低。

KIC

約為金屬的1/60~1/100材料KIC/MPa.m1/245鋼90球墨鑄鐵20~40氮化硅陶瓷3.5~5(4)

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3.幾種常用的結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，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種簡(jiǎn)單類型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等結(jié)構(gòu)類型(A、B表示陽(yáng)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)超過(guò)2000℃，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，如尖晶石等。3.1氧化物陶瓷

以α-Al2O3為主晶相的陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)：

Al2O3目前已知有10種同質(zhì)異晶體，主要有三種晶型：

α-Al2O3β-Al2O3γ-Al2O3（1）氧化鋁陶瓷α-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)氧化鋁的結(jié)構(gòu)是O-2排成密排六方結(jié)構(gòu)，Al+3占據(jù)間隙位置。根據(jù)含雜質(zhì)的多少，氧化鋁呈紅色(如紅寶石)或藍(lán)色(如藍(lán)寶石)氧化鋁陶瓷的性能與用途以基體中所含Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(75瓷，95瓷，99瓷……)隨Al2O3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)等也提高優(yōu)點(diǎn)：硬度高、很好的耐磨性、耐蝕性和高溫性能缺點(diǎn)：韌性低，抗熱振性能差，不能承受溫度的急劇變化用于制造刀具、模具、軸承、熔化金屬的坩堝、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。（2）氧化鋯陶瓷研發(fā)歷史20世紀(jì)20年代開始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；1973年，美國(guó)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)的空氣/燃料比，1980年用于鋼鐵工業(yè)；1975年，澳大利亞R.G.Garvie以CaO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；1982年，日本絕緣子公司和美國(guó)Cummins發(fā)動(dòng)機(jī)公司共同開發(fā)出節(jié)能柴油機(jī)缸套。ZrO2陶瓷晶型及其轉(zhuǎn)化單斜(m)、四方(t)、立方(c)3種晶系氧化鋯陶瓷的應(yīng)用特點(diǎn)：密度大，硬度高，抗彎強(qiáng)度大,斷裂韌性高(已知陶瓷中最高)應(yīng)用：可用做內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)襯、活塞頂?shù)饶湍?、耐腐蝕器件模具高溫發(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3.2非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷與氧化物陶瓷的區(qū)別：人工制備的燒結(jié)需在保護(hù)氣氛中進(jìn)行難熔、難燒結(jié)（1）氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能對(duì)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)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(rùn)滑性，耐磨。室溫抗彎強(qiáng)度可以高達(dá)800~1000MPa，強(qiáng)度可以一直維持到1200℃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，所以抗熱震性很好，從室溫到1000℃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(wú)機(jī)酸（HF除外）和濃度在30%以下燒堿（NaOH）溶液的腐蝕，也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕，對(duì)多種有色金屬熔融體（特別是鋁液）不潤(rùn)濕，能經(jīng)受強(qiáng)烈的放射輻照。4）密度低，比重小，僅是鋼的2/5，電絕緣性好。氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)六方晶系，α、β兩種晶型α-Si3N4低溫相，1500℃轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵唳?Si3N4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。（2）碳化硅陶瓷兩種晶型α-SiC

六方結(jié)構(gòu)β-SiC

面心立方碳化硅陶瓷的性能和用途熱導(dǎo)率高，優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和高溫蠕變高電阻率化學(xué)穩(wěn)定性高性能比氮化硅更好（3）賽隆陶瓷Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的總稱塞隆陶瓷的性能塞隆陶瓷的應(yīng)用高溫?zé)Y(jié)材料常溫和高溫下強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定優(yōu)異的抗熔融腐蝕熱機(jī)材料(發(fā)動(dòng)機(jī)針閥)切削材料(熱硬性好于Co-WC合金，1000℃以上高速切削)軸承等滑動(dòng)部件及磨損件(直接燒制成所需尺寸)4.陶瓷材料的制備工藝陶瓷坯料的制備成型釉制備及施釉干燥燒成坯料是指將陶瓷原料經(jīng)篩選，破碎等工序后進(jìn)行配料，再經(jīng)混合、細(xì)磨等工序后得到的具有成型性能的多組分混合物。

坯料的制備過(guò)程可大致分為：原料處理、配料、混合制備三部分。4.1陶瓷坯料的制備

（1）原料處理

a、預(yù)燒——對(duì)原料進(jìn)行的預(yù)先燒制b、精選——對(duì)原料進(jìn)行分離，提純，除去原料中的各種雜質(zhì)（尤其含鐵雜質(zhì)），使之在化學(xué)組成、礦物組成、顆粒尺寸上更符合原料的質(zhì)量要求。物理方法：水選、篩選、磁選、超聲波選化學(xué)方法：溶解法、升華法物理化學(xué)方法：電解法、浮選法（2）配料根據(jù)制品的化學(xué)性能要求、生產(chǎn)工藝確定坯料的組成；根據(jù)原料的性質(zhì)選擇合適的原料；根據(jù)特定的方法（如成分滿足法）確定配方。(3)混合制備a、粉碎粒度分析、比表面測(cè)定和X射線衍射技術(shù)影響研磨效果的因素：研磨工藝和設(shè)備、研磨時(shí)間、強(qiáng)度和研磨介質(zhì)。b、脫水注漿料的含水量為30-35%時(shí)才能澆注成型可塑泥料是采用壓濾機(jī)脫水至含水量為20-25％壓制粉料可分為：濕法壓制粉料：含水量8％-15％；干法壓制粉料：含水量3％-7％脫水操作：壓濾脫水法、噴霧干燥技術(shù)c、陳腐與練泥（ⅰ）陳腐所謂陳腐就是把泥餅置于避光、空氣不流通的室內(nèi)或密閉容器內(nèi)，保持一段時(shí)間，該工藝也叫困料。因料室內(nèi)溫度應(yīng)保持在20℃左右，相對(duì)濕度要求在80%-90%。坯料在困制過(guò)程中，在毛細(xì)管的作用下，水分分布漸趨均勻。坯料困制時(shí)間越長(zhǎng)，水分分布就越均勻，其成型性也就越好。一般困料時(shí)間為10天左右。（ⅱ）練泥經(jīng)過(guò)壓濾得到的泥餅和困料得到的坯料的組織疏松且不均勻，含有大量的氣泡。這樣既降低了坯料的可塑性，難以擠壓成型，通常采用真空練泥機(jī)多次練泥的方法，排除泥餅中的殘留空氣，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥料組織均勻，改善成形性能，提高干燥強(qiáng)度和成瓷后的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷制品的成形，就是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體，并使坯料具有所要的機(jī)械強(qiáng)度和一定的致密度。普通成型方法主要有注漿成型、塑制成型與壓制成型三種工藝。具體選擇何種工藝需要依據(jù)最終產(chǎn)品的性質(zhì)，形狀和尺寸。4.2成型

釉是指覆蓋在陶瓷坯體表面上的一層很薄的均勻的玻璃態(tài)物質(zhì)。陶瓷坯體表面的釉層，從外觀來(lái)說(shuō)，使陶瓷具有平滑而光澤的表面，增加了陶瓷的美觀；從機(jī)械性能來(lái)說(shuō)，正確配合的釉層可以增加陶瓷的強(qiáng)度與表面硬度，同時(shí)還可以使陶瓷的電絕緣性能、抗化學(xué)侵蝕性能有所提高。平滑而光澤的表面，不僅增加美觀，而且就日用瓷來(lái)說(shuō)，為飲用器皿的洗滌清潔提供了方便條件。4.3釉制備及施釉玻璃形成劑：形成玻璃的主要氧化物在釉層中以多面體的形式相互結(jié)合為連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，又稱為網(wǎng)絡(luò)形成劑。助熔劑：在釉料熔化過(guò)程中能促進(jìn)高溫化學(xué)反應(yīng)，加速高熔點(diǎn)晶體（如SiO2）結(jié)構(gòu)鍵的斷裂和生成低共熔點(diǎn)的化合物。同時(shí)還起調(diào)整釉層物理化學(xué)性質(zhì)的作用。乳濁劑：它是保證釉層有足夠覆蓋能力的成分,也就是保證燒成時(shí)熔體析出的晶體、氣體或分散粒子出現(xiàn)折射率的差別，引起光線散射產(chǎn)生乳濁的化合物。著色劑：使釉層吸收可見光波，從而呈現(xiàn)不同顏色。其他輔助劑：為了提高釉面質(zhì)量、改善釉層物化性能，控制釉漿性能(如懸浮性、與坯體的粘附性)等而加入。釉層的組成：

釉料在加熱過(guò)程中將發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，如脫水、固相反應(yīng)、碳酸鹽和硫酸鹽分解、部分原料熔化并生成共熔體、熔融物相互溶解、部分原料揮發(fā)和坯釉間的相互反應(yīng)等。在反應(yīng)的同時(shí)，釉料開始燒結(jié)、熔化并在坯體上鋪展為光滑釉面。釉層的形成

排除坯體中水分的工藝過(guò)程稱為“干燥”。干燥的目的：除去坯體中所含的一部分水分，使坯體具有一定的強(qiáng)度；提高坯體吸附釉層能力；縮短燒成周期，提高窯爐的周轉(zhuǎn)率，降低燃料消耗。4.4干燥將陶瓷坯體加熱至高溫，經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)變化（如膨脹、收縮、氣體的產(chǎn)生、液相的出現(xiàn)、舊晶相的消失、新晶相的析出等），冷卻至室溫后，坯體的礦物組成與顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，外形尺寸得以固定，強(qiáng)度得以提高，最終獲得某種特定使用性能（如機(jī)械強(qiáng)度、致密度、絕緣、耐熱等）陶瓷制品，這一工藝過(guò)程稱為燒成。坯體在高溫作用下，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，最后氣孔率接近于零，達(dá)到完全致密程度的瓷化