第七章 工程陶瓷

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 工程陶瓷,传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷,。,新型陶瓷按,化学成分,主要分为两类：,一类是纯氧化物陶瓷，如,Al2O3,、,ZrO2,、,MgO,、,CaO,、,BeO,、,ThO2,等；,另一类是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。,按照其,性能与特征,又可分为：,高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷,等。,在工程结构上使用的陶瓷称为,工程陶瓷,，它主要在高温下使用，也称高温结构陶瓷。这类陶瓷具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点，是空间技术、军事技术、原子能、工业及化工设备等领域中的重要材料。,工程陶瓷有许多种类，但目前世界上研究最多，认为最有发展前途的是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。,工程陶瓷主要性能指标,:,陶瓷工作表面耐磨性是锰钢的,100,倍以上，高铬铸铁的,20,倍以上；比耐磨橡胶高几倍至几十倍以上。陶瓷金属结合强度达到,300kg/2,使用温度可达,500,。,使用耐磨陶瓷制造的设备，使用寿命可提高五倍以上，性能价格比可提高,3,倍以上。,耐磨陶瓷性能特点：,1.,硬度大，一般硬度大于,HRA80,以上，最高可达到,92,以上；,2.,耐磨性能极好：是普通碳钢的至少,200,以上，高铬铸铁的,10,倍以上，,3.,重量轻：氧化铝比重一般只有,3.6,左右，碳化硅为,2.7,左右，氧化锆为,6,左右,4.,耐热性能好：不同耐磨陶瓷的耐热性不尽相同，但用于耐颗粒冲刷场合，耐热性没有任何问题。,常用结构陶瓷,1,、氮化硅陶瓷,氮化硅陶瓷是近,20,多年来发展起来的新型工程陶瓷，与一般硅酸盐陶瓷不同之处在于氮化硅的结合属于共价键性质的结合，因而有结合力强、绝缘性好的特点。用热压工艺可制得接近理论密度的高致密的氮化硅陶瓷，其弯曲强度即使在,1400,左右的高温下仍可达,500,600MPa,，而经添加剂经过优化后的氮化硅陶瓷,1400,下仍然可以维持接近,1000MPa,的强度。通过复相增韧的氮化硅基复合材料，其断裂韧性可以达到,2OllMPam1/2,。以,Y2O3,La03,为添加剂的自韧氮化硅，其室温和,1350,的断裂韧性可分别达到,4-1213 MPam1/2,和,2224MPam1/2,。,目前反应烧结和气压烧结的氮化硅材料已经批量生产，在刀具、发动机零部件、密封环等领域广泛应用,;,热压制成的氮化硅基陶瓷刀具在切削冷硬铸铁时切削寿命可以达到硬质合金,YG8,的,30,倍。日本生产的汽车发动机陶瓷挺柱已经投入市场，日本还计划用,5,年时间研究采用新型陶瓷材料制造飞机发动机零部件,(,包括涡轮叶片、燃烧器壁等各种零部件,),，预计这种飞机发动机的能源利用率将比普通飞机发动机高大约,30%,。,2,、碳化硅陶瓷,碳化硅陶瓷是一种具有优良的高温力学性能的新型结构陶瓷材料，具有热膨胀系数小、比重轻,(,只有重金属的三分之一,),、导热系数大等特性，热等静压碳化硅陶瓷试样的弯曲强度可以达到,1000,MPa,断裂韧性可达,814MPam1/2,。含,A1203,的无压烧结碳化硅陶瓷的弯曲强度可达,707MPa,，断裂韧性可达,1017,MPa,m1/2,。,SiC,陶瓷的高温蠕变速率小。在高温长时间使用中，,SiC,陶瓷很稳定，抗氧化性好，强度较少受环境,(,例如氧化,),的影响。,SiC,的耐急冷急热性好，且具有优良的高温抗腐蚀性。因而，碳化硅常用于制备航天器燃烧室、火箭喷嘴及轴承、滚珠、机械密封等处。,3,、碳化硼陶瓷,碳化硼陶瓷具有高硬度、高熔点和低密度，良好的物理性能和优越的抗化学侵蚀能力的特点，是优异的结构陶瓷，在民用、宇航和军事等领域都得到了重要应用。但碳化硼陶瓷有两个致命的弱点,:,碳化硼陶瓷的断裂韧性很低,;,原子间以牢固的共价键连接，共价键含量高达,93.9%,，因而，获得高密度的烧结体非常困难。,碳化硼陶瓷增韧法,原位自生增韧法和前驱体热解法是近年发展起来的制备陶瓷材料的新工艺，具有烧成温度低、杂质少、产物性能优异等优点。以聚碳硅烷为代表的热解纳米颗粒增韧工艺，在大粒径,B4C,间形成固溶体，并形成晶内纳米结构，从而加速了材料烧结时的溶解,-,沉积过程，促进了材料的致密化，同时也改善了,B4C,陶瓷的晶界结构，起到纳米钉扎的作用，无论是从组织均匀性还是致密化方面都有较大优势，是一种很有前途的工艺方法，是碳化硼材料致密化和韧化的发展新方向。,4,、氧化锆相变增韧陶瓷,热压,3Y-Zr02,在室温下具有最高的强度和断裂韧性，强度达到,1570,MPa,，断裂韧性,1513 MPam1/2,但在高温下由于相变作用的消失，性能急剧下降，,600,强度降到,480MPa,1000,降到,212MPa,。经过强化和增韧，虽然对室温性能有所损害，但高温性能却可以显著提高。断裂韧性,711MPam1/2,1000,仍能保持,610MPa,的强度。被增韧的基质材料，除了稳定的氧化锆以外，常见的有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷，还有氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。国内目前的氧化锆结构陶瓷企业，有,70%,是由氧化铝陶瓷行业转化而来的。,国内市场的部分稳定氧化锆的应用正处于起步发展阶段，主要为,:,光纤接插件及套管、氧化锆磨介、刀具、纺织及烟草机械承板等。其中磨介占据一半以上的份额，以适应对耐磨性和机械强度提出更高要求的工作条件。出现的氧化锆增韧氧化铝陶瓷,(,简称,ZTA),材料，主要是在氧化铝母相基质中引入一定量的相变材料氧化锆所形成的一种复相精细陶瓷材料。这种复相陶瓷材料既显现出氧化锆陶瓷高韧性和高强度的特性，又保留了氧化铝陶瓷高硬度的优点，而且随着这种综合力学性能的提高，其耐磨性也得到了较大的改善。,5,、氧化铝陶瓷,氧化铝陶瓷由于强度高、耐高温、绝缘性好、耐腐蚀，并且具有良好的机电性能，广泛应用于电子、机械、化工工业。如利用其机械强度较高，绝缘电阻较大的性能，可以用作真空器件、电路基板等,;,利用其耐高温性，可以用作坩埚、钠光灯管等,;,利用其稳定的化学性能，可以用作生物陶瓷、催化载体等。,6,、新型层状陶瓷,Ti3SiC2,Ti3SiC2,是,Ti-,Si,-C,系统中的唯一三元化合物，属六方晶系，硅原子层被,TiC,八面体连接而构成层状结构，显微结构为纳米层片状，正是这种独特的结构赋予它不同于,Ti-,Si,-C,三元系中其它二元化合物的性质，使得,Ti3SiC2,兼有金属和陶瓷的很多优点，似金属一样是良好的电和热的导体，可切削，柔软，对热冲击不敏感，高温表现为塑性,;,又似陶瓷具有抗氧化、耐腐蚀、耐高温,(,熔点超过,3000),其高温强度超过所有的高温合金。,这些兼备金属和陶瓷的优良性能以及耐高温和自润滑特性，具有高的热导率和电导率，易加工，同时具有良好的抗热震性、抗氧化性和高温稳定性，在高温结构陶瓷、电极材料、可加工陶瓷材料、自润滑材料等领域的应用有着很好的前景：,(1)Ti3SiC2,具有与石墨类似的层状结构和自润滑性，而导电性和硬度都优于石墨，抗氧化性也更好，所以在高温下或其他氧化环境下需要润滑的场合，如用作轴承材料，它的潜力将远远大于石墨,;(2),良好的抗热震性和抗氧化性，高温下高的屈服点和塑性，使得,Ti3SiC2,在高温结构方面的应用更具有优势，如涡轮机叶片和定子，以及陶瓷发动机等,;(3),由于好的可加工性和高温下的高强度，它还是目前使用的可加工陶瓷,MacorTM,的很好的替代品,;(4),好的导电性和抗热震性使它在熔融金属的电极材料的应用方面也有很大的潜力,。,7,、纳米复相陶瓷,晶内纳米相的形成有利于材料性能的提高，无论是从组织均匀性还是致密度方面都有较大优势,.,复相陶瓷中纳米相所起的主要韧化作用为,:,纳米颗粒与基质形成共格关系，结合牢固，抑制晶粒成长和异常晶粒的长大,;,晶粒内产生亚晶界，使基体再细化而产生增强作用,;,纳米粒子周围基质形成拉应力导致穿晶断裂并使穿晶裂纹二次偏转，残余应力的产生使晶粒内破坏成为主要形式,;,晶内纳米粒子使基体颗粒内部形成次界面，并同晶界纳米相一样具有钉扎位错的作用。新原皓一等就将纳米级陶瓷颗粒作为弥散相引入微米级陶瓷基体中制得纳米复合陶瓷，取得了很好的增强增韧效果。,碳化物复合陶瓷,微波超高温烧结碳化硼陶瓷装甲材料,高致密的碳化硅,/,碳化硼复合陶瓷，其弯曲强度即使在,1400C,左右的高温下仍可达,500,600MPa,。该公司采用微波增强反应渗透工艺生产的碳化硅,/,碳化硼复合特种陶瓷材料具有比重小、高硬度、高模量、耐冲击的特点，应用于新一代的陶瓷装甲。,耐高温、高强度、高韧性陶瓷,氧化锆增韧陶瓷已在结构陶瓷研究中取得了重大进展，经过增韧的基质材料，除了稳定的氧化锆以外，常见的有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。该公司利用微波高温设备可以更低成本大批量生产各种氧化物特种结构陶瓷,。,耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷,现代电光源的构成对材料的耐高温、耐腐蚀性及透光性有很高的要求，该公司利用微波烧结生产的氧化铝、氮化铝透明陶瓷材料总体透光性能和机械性能超过传统方法生产的产品。应用于各种高温光学窗口、探头、灯管,。,工程,陶瓷的应用,在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳,-,石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳,/,碳复合材料远远优于其他材料。,高新技术的应用是现代战争制胜的法宝。在军事工业的发展方面，高性能结构陶瓷占有举足轻重的作用。例如先进的亚音速飞机，其成败就取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和纤维补强的陶瓷基复合材料的应用,。,光通信产业是当前世界上发展最为迅速的高技术产业之一。其所以发展如此迅速主要依赖于光纤损耗机理的研究以及光纤接头结构材料的使用。运用氧化锆增韧陶瓷材料开发出光纤接头和套管，性能优良，很好地满足了我国光通信产业的发展需要。,随着半导体器件的高密度化和大功率化，集成电路制造业的发展迫切需要研制一种绝缘性好导热快的新型基片材料。,80,年代中后期问世的高导热性氮化铝和碳化硅基板材料正逐步取代传统的氧化铝基板。氮化铝,-,玻璃复合材料，已成为当代电子封装材料领域的研究热点，其热导率是氧化铝,-,玻璃的,5-10,倍，烧结温度在,1000C,以内，可与银、铜等布线材料共烧，从而制造出具有良好导热和电性能多层配线板，很好地满足了大规模集成电路小型化、密集化的要求。,精密陶瓷氨化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。,氯化硅、碳化硅等新型陶瓷还可用来制造发动机的叶片、切削刀具、机械密封件、轴承、火箭喷嘴、炉子管道等，具有非常广泛的用途。,