特种陶瓷工艺学--结构陶瓷--课件

特特 种种 陶陶 瓷瓷 工工 艺艺 学学之之 结结 构构 陶陶 瓷瓷学学 院：材料科学与工院：材料科学与工程程1ppt课件 结构陶瓷材料结构陶瓷材料具有金属等其它材料所不具备的优具有金属等其它材料所不具备的优点点,即具有耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨即具有耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高导热性和质轻等特点。胀系数、高导热性和质轻等特点。对对高温材料高温材料的需求，推动了先进陶瓷的发展。的需求，推动了先进陶瓷的发展。高温工程陶瓷定义为：能在高温、一定应力、较高温工程陶瓷定义为：能在高温、一定应力、较高氧化以及腐蚀气氛介质下使用的陶瓷。高氧化以及腐蚀气氛介质下使用的陶瓷。氧化物体系氧化物体系 非氧化物体系非氧化物体系2ppt课件高温陶瓷应用举例高温陶瓷应用举例3ppt课件高温陶瓷应用举例高温陶瓷应用举例4ppt课件高温工程陶瓷性能高温工程陶瓷性能5ppt课件 常见氧化物陶瓷常见氧化物陶瓷6ppt课件7ppt课件氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷AlAl2 2OO3 3Al2O3氧化铝陶瓷是一种以氧化铝陶瓷是一种以-Al2O3为主晶的陶瓷材料，又称刚玉瓷。为主晶的陶瓷材料，又称刚玉瓷。（1）型立方，密度小，自型立方，密度小，自然界中不存在。然界中不存在。（2）型型,不纯的氧化铝，不纯的氧化铝，可作为导电陶瓷使用。可作为导电陶瓷使用。（3）型，三方晶系。型，三方晶系。其其中以中以相最稳定，电学性质相最稳定，电学性质最好最好 Al2O3有很多变体有很多变体，但主要有三种同质异性体：，但主要有三种同质异性体：8ppt课件Al2O3变体变体9ppt课件高铝瓷性能高铝瓷性能 氧化铝含量在氧化铝含量在85以上为高铝瓷以上为高铝瓷 氧化铝陶瓷，特别是氧化铝陶瓷，特别是高铝瓷的机械强度极高，高铝瓷的机械强度极高，导热性能良好，绝缘强度、导热性能良好，绝缘强度、电阻率高，介质损耗低，电阻率高，介质损耗低，介电常数一般在介电常数一般在8 81010之之间，电件能随温度和频率间，电件能随温度和频率的变化比较稳定。的变化比较稳定。10ppt课件11ppt课件Al2O3原料制备原料制备拜尔法拜尔法工业氧化铝的制备是以铝土矿为原料。工业氧化铝的制备是以铝土矿为原料。氧化铝水化物可以溶解于氧化铝水化物可以溶解于NaOH，而，而氧化铁、氧化钛氧化铁、氧化钛等不溶等不溶脱硅：脱硅：SiO2Na2OAl2O3 钠长石钠长石5SiO23Na2O3Al2O3，从而不溶于从而不溶于NaOH，实现脱硅，实现脱硅Al2O3NaOHNaAlO2水解水解Al(OH)3煅烧煅烧Al2O3纯度纯度 在在98.9-99.7%98.9-99.7%之间，但之间，但NaNa2 2O O含量高达含量高达0.3-0.6%0.3-0.6%。（NaNa高温时会破坏其电绝缘性）高温时会破坏其电绝缘性）12ppt课件 首先将铝矾土原矿石粉碎，然首先将铝矾土原矿石粉碎，然后加入后加入13132020的的NaOHNaOH，在，在200200250250、4MPa4MPa条件下处理，使之条件下处理，使之成为铝酸钠成为铝酸钠(NaAlO(NaAlO2 2)溶液。将氧化溶液。将氧化铁、二氧化硅以及氧化钛等不溶解铁、二氧化硅以及氧化钛等不溶解物形成的沉淀过滤分离，然后将铝物形成的沉淀过滤分离，然后将铝酸钠放入大型搅拌池中用水稀释后酸钠放入大型搅拌池中用水稀释后添加少量氢氧化铝细颗粒添加少量氢氧化铝细颗粒(作为晶作为晶种种)，Al(OH)Al(OH)3 3以三水铝石的形式从以三水铝石的形式从铝酸钠溶液中析出，经过滤、洗净铝酸钠溶液中析出，经过滤、洗净后在旋转式管状炉或沸腾床式炉中，后在旋转式管状炉或沸腾床式炉中，于于1200120013001300下烧结，再经粉碎、下烧结，再经粉碎、过筛而制成过筛而制成AlAl2 2O O3 3。13ppt课件14ppt课件15ppt课件高纯高纯Al2O3制备制备 铝明矾热分解法（最常用）铝明矾热分解法（最常用）有机铝盐加热分解法有机铝盐加热分解法 铝的水中放电氧化法铝的水中放电氧化法 铝铵碳酸盐分解法铝铵碳酸盐分解法污染环境污染环境用该法制取的氧化铝粉末纯度可达用该法制取的氧化铝粉末纯度可达99.999.9以以上，烧结的制品具有半透明性，故常用于制上，烧结的制品具有半透明性，故常用于制造高压钠灯灯管。造高压钠灯灯管。16ppt课件Al2(SO4)3煅烧温度煅烧温度17ppt课件 铝铵碳酸盐分解法铝铵碳酸盐分解法18ppt课件 尿素均匀沉淀法尿素均匀沉淀法前驱物前驱物19ppt课件20ppt课件Al2O3预烧预烧预烧目的：预烧目的：使使-Al203 全部变为全部变为型型 去除去除Na2O，提高原料纯度，提高原料纯度预烧温度：预烧温度：若用若用H3BO3为添加剂，为添加剂，预烧温度预烧温度14001450若用若用NH4F为添加剂，为添加剂，预烧温度预烧温度1250预烧气氛预烧气氛 21ppt课件H3BO3的影响的影响 促进促进-Al203 全部变为全部变为型型 去除去除Na2O，提高原料，提高原料纯度纯度22ppt课件预烧质量判断：预烧质量判断：染色法染色法 利用有机染料利用有机染料 光学显微镜法光学显微镜法 利用两者折射率不同利用两者折射率不同 密度法密度法 利用密度不同利用密度不同23ppt课件Al2O3烧结添加剂烧结添加剂目的：目的：促进烧结，降低烧结温度，提高致密度促进烧结，降低烧结温度，提高致密度 控制晶粒尺寸控制晶粒尺寸 改善性能改善性能24ppt课件分类：分类：与与Al2O3形成固溶体，主要有形成固溶体，主要有TiO2、Fe2O3、MnO、Cr2O3等等 晶格常数与晶格常数与Al2O3接近，是变价化合物，固溶时能使接近，是变价化合物，固溶时能使Al2O3产生缺陷，活化晶格，促进烧结。产生缺陷，活化晶格，促进烧结。TiO2加入加入0.51.0%时，烧结温度降低时，烧结温度降低150200，可，可在在1550 烧结，但会促使晶粒长大。烧结，但会促使晶粒长大。烧结时会生成液相，例如烧结时会生成液相，例如MgO、CaO、SiO2、高岭土、高岭土等等 MgO不仅会生成液相，还会抑制晶粒长大。如加入不仅会生成液相，还会抑制晶粒长大。如加入MgO 0.51.0%时，原始粒度时，原始粒度12m，烧结后不超过，烧结后不超过15m。25ppt课件MgO和和Al2O3的挥发性的挥发性TiO2对扩散系数的影响对扩散系数的影响26ppt课件MgOMgO对烧结致密化的影响对烧结致密化的影响27ppt课件Al2O3烧结烧结（1 1）煅烧）煅烧（2 2）磨细）磨细（3 3）成型）成型 （AlAl2 2O O3 3为瘠性粒子，其悬浮机制前面已经讲过）为瘠性粒子，其悬浮机制前面已经讲过）根据不同用途选择不同成型方法根据不同用途选择不同成型方法28ppt课件（4 4）烧结）烧结 烧结制度烧结制度 烧结气氛烧结气氛 分别在分别在COH2、H2、Ar、空气、水蒸气气氛中烧结，、空气、水蒸气气氛中烧结，发现以发现以COH2最佳。最佳。29ppt课件 烧结压力烧结压力压压力力增增加加温温度度升升高高 压力对烧结有明显促进作压力对烧结有明显促进作用，可降低烧结温度，缩短烧用，可降低烧结温度，缩短烧结时间，提高致密度。结时间，提高致密度。保温时间保温时间1h1h烧结温度烧结温度1350135030ppt课件Al2O3性能和用途性能和用途31ppt课件复相复相Al2O3陶瓷陶瓷金属金属CrCr、MoMo、TiTi、W W等元素为添加剂等元素为添加剂复相复相Al2O3陶瓷性能陶瓷性能 复相陶瓷的抗弯强度是复相陶瓷的抗弯强度是AlAl2 2O O3 3陶瓷陶瓷的的1.5 1.5 2 2倍，这是因为分散的第二相倍，这是因为分散的第二相既具有阻止既具有阻止AlAl2 2O O3 3晶粒长大又可以起阻晶粒长大又可以起阻碍微裂纹扩展的作用，所以强度和韧性碍微裂纹扩展的作用，所以强度和韧性均得到提高。均得到提高。32ppt课件复相复相Al2O3陶瓷性能陶瓷性能33ppt课件 Al2O3及其复相陶瓷及其复相陶瓷材料不仅有较好的室温材料不仅有较好的室温性能，还有较好的高温性能，还有较好的高温强度。强度。34ppt课件ZrO2单斜单斜ZrO2 四方四方ZrO2 立方立方ZrO2 液相液相117023702715 在不同温度下在不同温度下,ZrO2以三种同质异形体存在，其密度以三种同质异形体存在，其密度分别为分别为:单斜型为单斜型为5.66g/cm3,四方型为四方型为6.10g/cm3,立方型为立方型为6.27g/cm3。就单斜与四方晶系的转化来言，伴随有就单斜与四方晶系的转化来言，伴随有7左右的左右的体积变化。加热时晶型由单斜转变为四方，体积收缩；体积变化。加热时晶型由单斜转变为四方，体积收缩；冷却时由四方变为单斜，体积膨胀。冷却时由四方变为单斜，体积膨胀。但这种收缩与膨胀并不发生在同一温度但这种收缩与膨胀并不发生在同一温度,前者约在前者约在1200，后者约在，后者约在1000。氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷ZrOZrO2 235ppt课件36ppt课件共沉淀法共沉淀法高纯高纯ZrO2粉料制备粉料制备800醇盐水解法醇盐水解法37ppt课件稳定稳定ZrO2 在在ZrO2中加入某些适量的氧化物中加入某些适量的氧化物(例如例如Y2O3、CaO、MgO、CeO2等等),可使可使ZrO2变成无异常膨胀、收缩的立方、变成无异常膨胀、收缩的立方、四方晶型的四方晶型的稳定稳定ZrO2。将稳定剂数量减少，可得到将稳定剂数量减少，可得到部分稳定部分稳定ZrO2（PSZ）。38ppt课件 常用稳定剂有常用稳定剂有Y2O3、CaO、MgO、CeO2和其他稀土氧和其他稀土氧化物，其阳离子半径与化物，其阳离子半径与Zr4接近，在接近，在ZrO2中溶解度大，可与中溶解度大，可与ZrO2形成单斜、四方和立方等晶型的置换固溶体。而这种固形成单斜、四方和立方等晶型的置换固溶体。而这种固溶体可通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。溶体可通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。快冷得到的立方固溶体以后保持稳定，不再发生相变，快冷得到的立方固溶体以后保持稳定，不再发生相变，无体积变化，称为无体积变化，称为全稳定全稳定ZrO2（FSZ）。当稳定剂含量适当时，可得到全部为当稳定剂含量适当时，可得到全部为四方晶四方晶的的稳定稳定ZrO2（TZP）。）。这是目前具有这是目前具有最高韧性最高韧性的陶瓷材料。的陶瓷材料。39ppt课件ZrO2MgO体系（体系（MgOPSZ）40ppt课件ZrO2MgO体系（体系（MgOPSZ）41ppt课件ZrO2Y2O3相图相图 Y2O3含量控制含量控制在在23，可得，可得到到TZP，此时四，此时四方相最多，方相最多，YTZP性能最好性能最好42ppt课件 部分稳定剂的加入可改善材料性能部分稳定剂的加入可改善材料性能 跟四方相多少有关跟四方相多少有关43ppt课件 稳定剂的加入可使四方相稳定剂的加入可使四方相ZrO2稳定保持到室温，但稳定保持到室温，但稳定剂的含量稳定剂的含量应小于应小于8mol，稳定剂量太大，不，稳定剂量太大，不仅四方相可稳定存在，立方相也可仅四方相可稳定存在，立方相也可大量存在。大量存在。曲线曲线a:纯纯ZrO2陶瓷烧结后冷至室陶瓷烧结后冷至室温完全为单斜相；温完全为单斜相；曲线曲线c：过高过高Y2O3含量超过含量超过8mol的的ZrO2陶瓷，完全稳定的立方相，陶瓷，完全稳定的立方相，单斜相不超过单斜相不超过20。晶粒大小晶粒大小对多晶转变有影响，粒径越小，高温相越稳定；对多晶转变有影响，粒径越小，高温相越稳定；如图，如图，ZrO2原料晶粒越粗，单斜相越多。原料晶粒越粗，单斜相越多。稳定剂含量与晶粒尺寸稳定剂含量与晶粒尺寸44ppt课件 要提高陶瓷的韧性，目前较为有效的途径是纤维增强要提高陶瓷的韧性，目前较为有效的途径是纤维增强和和利用利用ZrOZrO2 2相变增韧。相变增韧。ZrO2增韧陶瓷增韧陶瓷相变增韧的多晶转变要求相变增韧的多晶转变要求高温相转变为低温相的体积膨胀要大高温相转变为低温相的体积膨胀要大多晶转变可以通过改变晶体粒度、加多晶转变可以通过改变晶体粒度、加入稳定剂或增加压力等手段使之在室温入稳定剂或增加压力等手段使之在室温下不能进行下不能进行相变速度要快相变速度要快晶体本身要有高强度晶体本身要有高强度ZrO2ZrO2由四方相到单斜相的变化属于马氏体相变，满足上述由四方相到单斜相的变化属于马氏体相变，满足上述条件，因此不仅用在本身，也在其他陶瓷有明显的效果。条件，因此不仅用在本身，也在其他陶瓷有明显的效果。45ppt课件 ZrO ZrO2 2增韧机制有增韧机制有应力诱发相变增韧应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹相变诱发微裂纹增韧、增韧、以及表面强化韧化等。以及表面强化韧化等。ZrO2颗粒弥散在其它陶瓷颗粒弥散在其它陶瓷(包括包括ZrO2本身本身)基体中，由于两者基体中，由于两者具有不同的热膨胀系数，在冷却过程中具有不同的热膨胀系数，在冷却过程中ZrO2颗粒周围则有不同的颗粒周围则有不同的受力情况，当它受到受力情况，当它受到基体的压抑基体的压抑，ZrO2的相转变也将受到压制。的相转变也将受到压制。ZrO2的相变温度随着的相变温度随着颗粒尺寸颗粒尺寸的降低而下降的降低而下降,甚至可以降到甚至可以降到室温以下。室温以下。当基体对当基体对ZrO2颗粒有足够的压应力颗粒有足够的压应力,而而ZrO2的颗粒度又足够的颗粒度又足够小小,则其相变温度可降至室温以下则其相变温度可降至室温以下,这样在室温时这样在室温时ZrO2仍可以保持仍可以保持四方相四方相。相变增韧机制：相变增韧机制：ZrO2增韧机制增韧机制增韧机制增韧机制46ppt课件 当材料受到外应力时当材料受到外应力时,基体对基体对ZrO2的压抑作用得到松弛，的压抑作用得到松弛，ZrO2颗粒即发生颗粒即发生四方相到单斜相的转变四方相到单斜相的转变,并在基体中引起微并在基体中引起微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量,达到增加断裂韧性的效达到增加断裂韧性的效果果,这就是这就是ZrO2的的相变增韧相变增韧。相变增韧相变增韧47ppt课件 相变增韧需要部分稳定的四方相相变增韧需要部分稳定的四方相ZrOZrO2 2，而四方相量取，而四方相量取决于很多因素。决于很多因素。稳定剂含量稳定剂含量 （前面有述）（前面有述）晶粒尺寸晶粒尺寸 然而然而,并非所有四方相在应力诱导下都可以相变为单斜并非所有四方相在应力诱导下都可以相变为单斜相相.晶粒尺寸晶粒尺寸对可相变的四方相含量影响最大对可相变的四方相含量影响最大,还跟四方相还跟四方相在在材料中的位置材料中的位置有关有关.例如例如:ZrO:ZrO2 2增韧的增韧的AlAl2 2O O3 3陶瓷中陶瓷中,包裹体在包裹体在AlAl2 2O O3 3晶粒内晶粒内部的四方相最难相变部的四方相最难相变,处于处于AlAl2 2O O3 3晶粒之间的次之晶粒之间的次之,团聚在一团聚在一起的四方相最容易受应力诱发起的四方相最容易受应力诱发.四方相含量四方相含量48ppt课件 相变增韧需要部分稳定的相变增韧需要部分稳定的四方相四方相ZrO2，而四方相含量，而四方相含量越高、立方相含量愈少的陶越高、立方相含量愈少的陶瓷强度越高。瓷强度越高。总之，陶瓷中最大程度总之，陶瓷中最大程度地保持四方相地保持四方相ZrO2，即，即可应可应力诱导相变的四方相的含量力诱导相变的四方相的含量是相变增韧的关键。是相变增韧的关键。四方相含量四方相含量49ppt课件 CaO（3.7wt%）ZrO2体系中，烧结后在体系中，烧结后在1000保温保温使立方相基体中析出细微的四方相，保温使立方相基体中析出细微的四方相，保温50h析出四方相最析出四方相最多，陶瓷强度最高；多，陶瓷强度最高；时间延长，四方相晶粒长大（时间延长，四方相晶粒长大（0.2m），稳定性变差，），稳定性变差，冷却时易变成单斜相，四方相含量下降，强度也随之降低。冷却时易变成单斜相，四方相含量下降，强度也随之降低。50ppt课件 Y2O3ZrO2体系中，烧结温度影响四方相含量。在体系中，烧结温度影响四方相含量。在1450前烧结四方相含量最高；前烧结四方相含量最高；而四方相含量小于而四方相含量小于30时，强度迅速下降。时，强度迅速下降。51ppt课件无约束状态下的无约束状态下的ZrO2相变相变 单位体积单位体积t-ZrO2向向m-ZrO2转化的自由能变化转化的自由能变化G：无限大单晶的自由能；：无限大单晶的自由能；：表面能；：表面能；A：摩尔表面积：摩尔表面积 相变与粒度有关，无约束状态下四方相相变与粒度有关，无约束状态下四方相ZrO2相变相变室温下稳定存在的室温下稳定存在的临界尺寸为临界尺寸为9.6nmZrO2相变相变52ppt课件有约束状态下的有约束状态下的ZrO2相变相变 单位体积单位体积t-ZrO2向向m-ZrO2转化的自由能变化转化的自由能变化Gchem：m-和和t-Zro2之间的化学自由能之差；之间的化学自由能之差；UT：相变弹性：相变弹性应变能的变化；应变能的变化；Ua：激发相变外应力所付出的能量；：激发相变外应力所付出的能量；S：m-和和t-Zro2与基体的界面能之差（很小，可忽略）。与基体的界面能之差（很小，可忽略）。Gchem是是t-m相变的基本驱动力，而相变的基本驱动力，而UT是相变阻力。是相变阻力。如果如果Gchem不足以克服不足以克服UT时，时，要使相变发生，只能借助要使相变发生，只能借助于外力于外力Ua。53ppt课件 保持一定的相变弹性应变能是相变增韧的必保持一定的相变弹性应变能是相变增韧的必要前提，采用高弹性模量的基体有利于提高相变要前提，采用高弹性模量的基体有利于提高相变弹性应变能，增加基体对亚稳颗粒的压应力作用，弹性应变能，增加基体对亚稳颗粒的压应力作用，增加亚稳颗粒数量。增加亚稳颗粒数量。54ppt课件 当基体对当基体对t-mt-m相变有很相变有很大约束力时，单斜晶反而比大约束力时，单斜晶反而比四方晶有更高的自由能，转四方晶有更高的自由能，转变不可能发生，四方晶可以变不可能发生，四方晶可以保存下来。保存下来。当有外力（当有外力（Ua）作用）作用时，部分解除了基体的约束时，部分解除了基体的约束力，转变得以发生，这称为力，转变得以发生，这称为应力诱导相变。应力诱导相变。有约束状态下的有约束状态下的ZrO2相变相变55ppt课件 部分稳定部分稳定ZrO2陶瓷在由四方相向单斜相转变时，陶瓷在由四方相向单斜相转变时，相变相变出现了体积膨胀而导致产生出现了体积膨胀而导致产生微裂纹微裂纹。这样不论是。这样不论是ZrO2陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，还是陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，还是裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂纹，都将起着导致的微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量分散主裂纹尖端能量的作用，的作用，从而提高了断裂能，称为从而提高了断裂能，称为微裂纹增韧微裂纹增韧。微裂纹增韧机制微裂纹增韧机制56ppt课件 裂纹前端存在应力场，为理论裂纹前端存在应力场，为理论应力场；当裂纹张应力大于材料的应力场；当裂纹张应力大于材料的断裂应力时，裂纹扩展，材料断裂断裂应力时，裂纹扩展，材料断裂 有韧化机制存在时，应力场会有韧化机制存在时，应力场会重新分布，实际张应力降低。重新分布，实际张应力降低。在含有介稳在含有介稳t-ZrOt-ZrO2 2粒子的基粒子的基体中，由于主裂纹前端应力场的体中，由于主裂纹前端应力场的作用，松弛了约束力，产生诱发作用，松弛了约束力，产生诱发相变，形成微裂纹。相变，形成微裂纹。主裂纹遇到这些微裂纹，或主裂纹遇到这些微裂纹，或者缓和了前端的应力集中，或者者缓和了前端的应力集中，或者使主裂纹分叉而吸收能量。使主裂纹分叉而吸收能量。微裂纹增韧微裂纹增韧57ppt课件 降温至降温至MsMs时，时，1 1区，粒子区，粒子DdDdH H，最先相变，生成最先相变，生成m m相粗大，对韧性贡相粗大，对韧性贡献不大，应防止献不大，应防止 继续降温，继续降温，2 2区，区，d dm mDdDdH H范围的范围的粒子发生相变，相变膨胀，基体产粒子发生相变，相变膨胀，基体产生微裂纹，形成微裂纹韧化生微裂纹，形成微裂纹韧化 降至室温，降至室温，3 3区，区，d dc cDdDdm m的粒子的粒子相变，由于粒子小，不足以产生微相变，由于粒子小，不足以产生微裂纹，但存在残余压应力。裂纹，但存在残余压应力。4 4区，区，DdDdc c的粒子以的粒子以t t相保持到室相保持到室温，在外应力作用下粒子大于温，在外应力作用下粒子大于d d1 1发发生相变，形成相变增韧。生相变，形成相变增韧。5 5区，这个范围的粒子即使有应区，这个范围的粒子即使有应力诱发也不相变。力诱发也不相变。增韧机制增韧机制58ppt课件YTZP的低温老化现象的低温老化现象 YTZP陶瓷在低温（陶瓷在低温（100400）长时间使用，）长时间使用，尽管这一温度远远低于尽管这一温度远远低于TZP强度降低的使用温度，但强度降低的使用温度，但其强度剧烈下降，这一现象称为其强度剧烈下降，这一现象称为低温老化低温老化。强度变化强度变化的原因是因为出现了的原因是因为出现了t-m相变相变。59ppt课件60ppt课件YTZP的低温老化现象的低温老化现象 YTZP陶瓷中陶瓷中t-m低温相变的原因，认为低温相变的原因，认为与环境中微量水汽的存与环境中微量水汽的存在有关。在有关。61ppt课件YTZP的低温老化现象的低温老化现象 通过通过增加稳定剂量、添加第三元素（增加稳定剂量、添加第三元素（CeCe4 4、AlAl3 3）可抑制这一老化现象发生。可抑制这一老化现象发生。原理：原理：CeCe4 4的加入提高了的加入提高了t-mt-m的化学自由能差，弹的化学自由能差，弹性模量大的性模量大的AlAl2 2O O3 3的加入是增加了对的加入是增加了对ZrOZrO2 2的约束力，从而的约束力，从而抑制了抑制了t-mt-m低温相变。低温相变。250，150h62ppt课件超塑性超塑性ZrO2陶瓷陶瓷影响超塑性的主要因素是影响超塑性的主要因素是晶粒尺寸晶粒尺寸。1993年，一种含年，一种含5SiO2，晶粒度小于，晶粒度小于1m的的TZP在在1400的伸长率达到的伸长率达到1038，这是目前获得的最高超，这是目前获得的最高超塑性。塑性。63ppt课件超塑性宏观形状变化超塑性宏观形状变化64ppt课件ZrO2增韧陶瓷性能增韧陶瓷性能65ppt课件 基体的化学成分和基体的化学成分和ZrOZrO2 2弥散相的含量与复合弥散相的含量与复合材料的制备工艺对材料的制备工艺对ZrOZrO2 2粒子的相变温度有一定的粒子的相变温度有一定的影响。影响。66ppt课件 经过韧化经过韧化处理的陶瓷，其处理的陶瓷，其韧性值可以达到韧性值可以达到WCCo材料的材料的水平水平67ppt课件ZrO2增韧增韧Al2O3陶瓷（陶瓷（ZTA）制备方法：制备方法：（1）混合法）混合法 将将Al2O3与共沉淀法得到的与共沉淀法得到的ZrO2(Y2O3)粉共同湿磨粉共同湿磨（2）共沉淀法）共沉淀法 用用ZrOCl28H2O和和AlCl36H2O水溶液与水溶液与Y2O3HCl在在PH9、温、温度度40时，共沉淀、干燥，时，共沉淀、干燥，840 煅烧，再研细煅烧，再研细（3）沉淀包裹法）沉淀包裹法 首先用首先用ZrOCl28H2O H2O与与Y2O3HCl在在PH9、温度、温度40时共沉时共沉淀，后直接加入淀，后直接加入Al2O3水悬浮液混匀，过滤，干燥，水悬浮液混匀，过滤，干燥，840 煅烧，再煅烧，再研细研细ZrO2(Y2O3)-Al2O3粉体制备粉体制备68ppt课件ZTA性能与性能与ZrO2含量关系含量关系适当含量时，陶瓷强度和韧性均得到显著提高适当含量时，陶瓷强度和韧性均得到显著提高69ppt课件ZTA性能与性能与ZrO2含量关系含量关系 除了前面的除了前面的韧化机制外，其韧化机制外，其韧化效果还源于韧化效果还源于ZrO2的加入起到的加入起到了了细化基体颗粒细化基体颗粒的作用。的作用。70ppt课件 在非在非ZrO2基陶瓷中，基陶瓷中，ZrO2的体积含量对断裂韧性的的体积含量对断裂韧性的影响往往存在影响往往存在最佳值最佳值，而这时，而这时强度降低不多。强度降低不多。最佳值时，诱发裂纹密度最佳值时，诱发裂纹密度最高，又不相互连接；过高时最高，又不相互连接；过高时相互连接，导致韧性下降。相互连接，导致韧性下降。随着粒子直径增大，临界随着粒子直径增大，临界含量降低，说明大粒子诱发裂含量降低，说明大粒子诱发裂纹尺寸大，容易相互连接形成纹尺寸大，容易相互连接形成危险裂纹。危险裂纹。71ppt课件其他增强增韧机制其他增强增韧机制 细晶强化增韧细晶强化增韧 晶界增强增韧晶界增强增韧 弥散增强增韧弥散增强增韧 纤维或晶须增强增韧纤维或晶须增强增韧72ppt课件73ppt课件74ppt课件75ppt课件复合增韧陶瓷复合增韧陶瓷ZrO2相变增韧的缺陷相变增韧的缺陷 ZrO2相变增韧的陶瓷相变增韧的陶瓷以其强度和韧性成倍增高以其强度和韧性成倍增高著称于世，但单纯相变增著称于世，但单纯相变增韧的效果是有限的，特别韧的效果是有限的，特别是温度提高到是温度提高到800800以上以上时，相变增韧效果明显减时，相变增韧效果明显减退或消失，这成为相变增退或消失，这成为相变增韧扩大应用的一大障碍。韧扩大应用的一大障碍。76ppt课件晶须或纤维补强增韧晶须或纤维补强增韧 在陶瓷基体内若分散了晶须或者纤维状第二相，这种在陶瓷基体内若分散了晶须或者纤维状第二相，这种第二相会使裂纹转向，导致断裂韧性增加，这就是所谓第二相会使裂纹转向，导致断裂韧性增加，这就是所谓裂纹转向增韧机理裂纹转向增韧机理。77ppt课件晶须或纤维补强增韧晶须或纤维补强增韧 晶须或纤维具有高的强度，基体晶须或纤维具有高的强度，基体相和晶须（或纤维）间界面有相当相和晶须（或纤维）间界面有相当的结合强度。若在应力场作用下，的结合强度。若在应力场作用下，裂纹尖端附近的界面结合力减弱，裂纹尖端附近的界面结合力减弱，产生晶须或纤维的拉脱现象，这时产生晶须或纤维的拉脱现象，这时在接近裂纹尖端的上下裂纹面，晶在接近裂纹尖端的上下裂纹面，晶须或纤维好像是一座渡桥，故也称须或纤维好像是一座渡桥，故也称桥接现象桥接现象，从而降低了裂纹尖端的，从而降低了裂纹尖端的应力集中，增加了裂纹扩展阻力，应力集中，增加了裂纹扩展阻力，提高了材料的断裂韧性。提高了材料的断裂韧性。78ppt课件79ppt课件SiC晶须补强增韧晶须补强增韧80ppt课件81ppt课件SiC晶须补强增韧晶须补强增韧如如SiCSiC晶须补强增韧氧化铝陶瓷，在晶须补强增韧氧化铝陶瓷，在AlAl2 2O O3 3陶瓷中加入陶瓷中加入20vol%SIC20vol%SIC晶须，其室温强度为晶须，其室温强度为800MPa800MPa，而，而12001200时强时强度仍有度仍有600MPa600MPa82ppt课件 SiC SiC晶须对晶须对陶瓷材料具有陶瓷材料具有同时增强增韧同时增强增韧的效果。的效果。83ppt课件晶须补强相变晶须补强相变增韧复相陶瓷增韧复相陶瓷 当单独采用当单独采用ZrO2相变相变增韧或晶须增韧时，材料性增韧或晶须增韧时，材料性能各自有一定程度的改善；能各自有一定程度的改善；当二者同时采用时，其综合当二者同时采用时，其综合强韧化效果明显高于二者之强韧化效果明显高于二者之和，这就是多种复合强韧化和，这就是多种复合强韧化机制的协同效应。机制的协同效应。84ppt课件85ppt课件86ppt课件 随随ZrO2和和SiC须须含含量的增加，其强度量的增加，其强度和韧性均呈上升趋和韧性均呈上升趋势，在势，在20SiC及及30ZrO2时，复合材时，复合材料的弯曲强度达到料的弯曲强度达到1200MPa，KIc达达10以上。以上。87ppt课件莫来石瓷莫来石瓷 莫来石组成莫来石组成 3Al2O3 2SiO2，有时还会存在亚，有时还会存在亚稳的稳的2Al2O3 2SiO2。莫来石具有优良的莫来石具有优良的高温力学性能高温力学性能和热性能，和热性能，高温强度和断裂韧性较高，在高温强度和断裂韧性较高，在1000以上衰减率以上衰减率小，化学稳定性和抗热震性好。小，化学稳定性和抗热震性好。但是，莫来石基体本身室温力学性能较低，但是，莫来石基体本身室温力学性能较低，限制了它开发和使用范围。限制了它开发和使用范围。加入加入ZrO2后可得到强后可得到强度和韧性提高的度和韧性提高的ZrO2增韧莫来石瓷（增韧莫来石瓷（ZTM）。）。88ppt课件Al2O3 SiO2相图相图89ppt课件莫来石粉料制备莫来石粉料制备溶胶凝胶法溶胶凝胶法90ppt课件高纯莫来石陶瓷高纯莫来石陶瓷 高纯莫来石陶瓷，高纯莫来石陶瓷，AlAl2 2O O3 3含量为含量为68687878，其室温强度均，其室温强度均在在300300400MPa400MPa之间。之间。当化学计量偏向富硅时，高温力学性能优于常温，尤其当化学计量偏向富硅时，高温力学性能优于常温，尤其是是AlAl2 2O O3 3含量为含量为68wt%68wt%的莫来石陶瓷，的莫来石陶瓷，13001300抗弯强度达抗弯强度达570MPa570MPa，断裂韧性达到，断裂韧性达到5.7,5.7,均比常温高均比常温高1.61.6倍，这种倍，这种随温度随温度升高、强度和韧性不仅不降反而大幅度提高的陶瓷材料，在升高、强度和韧性不仅不降反而大幅度提高的陶瓷材料，在现有的高温陶瓷材料中除了现有的高温陶瓷材料中除了SiCSiC外，是绝无仅有的。外，是绝无仅有的。这是高这是高纯莫来石陶瓷作为高温材料吸引人的特性之一。纯莫来石陶瓷作为高温材料吸引人的特性之一。高温下高温下强度和韧性提高的原因强度和韧性提高的原因可能是少量晶界玻璃相在可能是少量晶界玻璃相在高温下呈高粘塑状态，可能钝化裂纹尖端或缓解应力；此外，高温下呈高粘塑状态，可能钝化裂纹尖端或缓解应力；此外，随着温度升高，玻璃相软化，部分柱状莫来石粒子可能存在随着温度升高，玻璃相软化，部分柱状莫来石粒子可能存在拨出效应而消耗能量。拨出效应而消耗能量。91ppt课件高纯莫来石陶瓷强度、韧性与组成的关系高纯莫来石陶瓷强度、韧性与组成的关系92ppt课件高纯莫来石陶瓷强度与烧结方法、温度关系高纯莫来石陶瓷强度与烧结方法、温度关系93ppt课件莫来石增韧陶瓷烧结莫来石增韧陶瓷烧结反应烧结法反应烧结法先烧结后反应先烧结后反应94ppt课件MgOBeOSiO2.其他氧化物陶瓷其他氧化物陶瓷95ppt课件