第二章-结构陶瓷 (2)

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,*,特种陶瓷材料及工艺,授课教师：蒋百灵 教授,材料科学与工程学院,第二章 结构陶瓷,氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷,复合材料,2.1.1 AI,2,O,3,陶瓷的类型及性能,1,）,AI,2,O,3,陶瓷类型,氧化铝陶瓷是一种以,-AI,2,O,3,为主晶的陶瓷材料。其,AI,2,O,3,含量一般在,75-99.9%,之间。,2,）,AI,2,O,3,的晶型,Al,2,O,3,主要有三种晶型结构，即,-AI,2,O,3,，,-AI,2,O,3,，,-AI,2,O,3,。,AI2O3,晶型转化关系如图,2-1-1,所示。其结构不同，性质也不同，在,1300,以上的高温几乎完全转变为,-AI,2,O,3,。,2.1 AI,2,O,3,陶瓷,2.1.1 AI,2,O,3,陶瓷的类型及性能,3,）,AI,2,O,3,陶瓷的制备方法,基本工序为：煅烧磨细,成型烧结,煅烧 目的是使,-,AI,2,O,3,转变为,-,AI,2,O,3,，并排除原料中的,Na2O,等低熔点挥发物。,磨细 一般要求小于,1,m,的颗粒占,15%-30%,，若大于,40,%,，烧结时会出现严重的晶粒长大。,成型 可采用注浆法、模压法、挤压法以及热压注、热压等各种方法。,烧结,AI,2,O,3,很难烧结，为改善烧结性，降低烧结温度，常加入添加剂。,A,、,与,AI2O3,形成固溶体的添加剂有,TiO,2,、,Cr,2,O,3,、,Fe,2,O,3,、,MnO,2,等。,B,、,生成液相的添加剂有高岭土、,SiO,2,、,CaO,、,MgO,等。,1500,以下缓慢升温，常用烧结温度为,1650-1750,2.1 AI,2,O,3,陶瓷,2.1.1 AI,2,O,3,陶瓷的类型及性能,4,）,AI,2,O,3,陶瓷的性质及用途,AI,2,O,3,陶瓷的硬度为,9(,莫氏,),，密度,3.9g/cm3,左右，机械强度约,150MPa,，膨胀系数与金属差不多。此外具有良好的化学稳定性。电阻率高，电绝缘性能好。,Al,2,O,3,也常用于陶瓷表面金属化技术。利用其机械强度高，绝缘电阻较大的性能，可作为真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。利用强度和硬度较大的性能，可以用作磨料磨具，纺织瓷件，刀具等。此外，利用其能制造成良好的透明陶瓷，可以用作钠光灯管、红外检测材料等。,2.1,AI,2,O,3,陶瓷,2.2,MgO,陶瓷,2.2.1,MgO,原料的制备,(p92),从矿物或海水中提取,MgO,，大多先制成氢氧化镁或碳酸镁。然后经煅烧分解成,MgO,。将这种,MgO,通过进一步化学处理或热处理可得到高纯,MgO,。,制取,MgO,的煅烧分解过程大体可分为三个阶段,:,第一阶段,200-300,开始分解，放出气体。,第二阶段,500-600,，分解剧烈，,800,时分解基本完成。这时得到很不完整的,MgO,结晶。,第三阶段,800,以上，,MgO,的结晶逐渐长大并完整。,煅烧温度则在,1400,，,可得到活性较大的,MgO,。,不同方法制得的,MgO,，其性能各异。性能列入表,2-1-4.,2.2,MgO,陶瓷,2.2.1,MgO,原料的制备,不同方法制得的,MgO,，其性能各异。性能列入表,2-1-4.,2.2.2,MgO,陶瓷的性质与应用,MgO,陶瓷是以,MgO,为主要成分的陶瓷，主晶相,MgO,，属立方晶系氯化钠结构，熔点,2800,，理论密度为,3.58 g/cm,3,。,MgO,陶瓷在高温下比体积电阻高,(35V/mm),，介质损耗低,(20,，,1MHz),，介电系数为,9.1,。氧化镁在高于,2300,易挥发，因此一般限制在,2200,以下使用。,MgO,陶瓷具有良好的电绝缘性，几乎不被碱所侵蚀。不少金属都不与,MgO,反应，因此,MgO,陶瓷可作为熔炼金属的坩埚，浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。,2.2,MgO,陶瓷,2.2.3,MgO,陶瓷的制造工艺,MgO,陶瓷大多采用注浆法进行生产。但由于,MgO,容易水化，为了使,MgO,在制备浆料时不与水接触，须先采用无水乙醇等有机溶液作悬浮介质。,成型,:,将,MgO,原料用足够量的蒸馏水混合形成糊状，并充分水化成氢氧化镁，存放一定时间后，在,100,以下烘干，在,1450-1600,在密封情况下进行煅烧，保温,8,小时，是氢氧化镁从新分解成,MgO,。然后球磨约,15-90,小时。再加入冷却水继续磨大约,70-90,分钟，形成悬浮浆料，用于浇注成型。为了改善料浆性能，可以通过调节,PH,值方法，使,PH,值为,7-8.,脱模后坯料在,70,温度下干燥，为了使坯体中的水分迅速排除，应将湿空气尽快排除。,烧结,：是先在,1250,温度下进行素烧，再装入刚玉瓷匣钵中在,1750-1800,温度下保温,2,小时烧结。,2.2,MgO,陶瓷,2.3,BeO,陶瓷,2.3.1,BeO,陶瓷的性质和应用,1,）性质,BeO,晶体为无色，熔化温度范围为,2530-2570,，为六方形晶体结构结构稳定，无晶形转变，密度为,3.03 g/cm,3,，莫氏硬度,9,，高温蒸气压和蒸发速度比较低。在真空中可在,1800,长期使用，在惰性气体中可在,2000,下使用，在氧化气氛中，,1800,时有明显挥发。,2.3.1,BeO,陶瓷的性质和应用,1,）性质,BeO,陶瓷具有与金属相似的良好性，导热系数,209.34W/mK,，热膨胀系数不大，,20-1000,的平均热膨胀系数为,(5.1-8.9)10,-6,/,。,BeO,陶瓷的机械强度较低，高温绝缘性良好，,600-1000,为,410,10,-10,9,m,。,BeO,陶瓷耐碱性强，能抵抗碱性物质的侵蚀,(,除苛性碱外,),。此外，,BeO,陶瓷还具有良好的核性能，对中子减速能力强，对,X,射线有很高的穿透力。,2.3,BeO,陶瓷,2.3.2,BeO,陶瓷的制造工艺,BeO,陶瓷烧结工艺,：用氢氧化铍经预烧分解得到活性的氧化铍。所谓活化,BeO,是指在较低温度下预烧得到的,BeO,粉末，在化学成分上已经接近,BeO,，而其结晶结构尚未形成完整的,BeO,结构，具有很大的表面活性，易于烧结。预烧是在,1000-1200,的氢气氛中进行，表,2-1-8,为不同预烧温度下的烧结特性。,2.3,BeO,陶瓷,2.4 ZrO,2,陶瓷,2.4.1 ZrO,2,的性质,ZrO,2,是由含锆矿石提炼出来的。较纯的,ZrO,2,粉呈黄色或灰色。高纯的,ZrO,2,粉呈白色。但常含二氧化铪杂质，二者化学性质相似，不易分离，它们对材料的电性能影响也相似。,ZrO,2,密度为,5.49 g/cm3,，熔点为,2715,。,2.4 ZrO,2,陶瓷,2.4.2 ZrO,2,的结晶形态和晶形转化,在不同温度下，,ZrO,2,以三种同质异形体存在，即立方晶系，单斜晶系，四方晶系。三种晶型的,ZrO,2,密度为,:,单斜型为,5.65 g/cm3,，四方型为,6.10 g/cm3,，立方型为,6.27 g/cm3,。,转化温度区间为：,1170,单斜,-ZrO,2,转变为四方,-ZrO,2,，温度继续升高至,2370,四方,-ZrO,2,转变为立方,-ZrO,2,。,2.4.3 ZrO,2,陶瓷制造工艺和用途,用单纯的,ZrO,2,很难生产,ZrO,2,陶瓷，由于晶型转变，发生体积收缩，一般都会开裂。后来发现，加入某些适量的氧化物,(,例如,Y,2,O,3,、,CaO,、,MgO,等,),，可使,ZrO,2,变成无异常收缩的等轴晶型或四方晶型的稳定,ZrO,2,。利用稳定和部分稳定的,ZrO,2,备料，能获得性能良好的,ZrO,2,陶瓷。,Y,2,O,3,-PSZ(Y,2,O,3,部分稳定,ZrO,2,),是将原来稳定,ZrO,2,所需的,Y,2,O,3,量从,8mol%,以上减小到,3-4mol%,。,2.4 ZrO,2,陶瓷,2.4.4 ZrO,2,陶瓷的韧化机制,ZrO,2,增韧是通过四方相转变成单斜相来实现的，这种相变属于马氏体相变。,ZrO,2,的增韧机制有：应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面强化韧化等。,常用的,ZrO,2,增韧陶瓷有：,ZrO,2,-MgO,、,ZrO,2,-Al,2,O,3,、,ZrO,2,-Y,2,O,3,、,ZrO,2,-CaO,。,作业：,自查资料解释,ZrO2,的三种增韧机制，即：,应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面强化韧化,2.4 ZrO,2,陶瓷,非氧化物陶瓷,是由金属的碳化物、氮化物、硫化物和硼化物等制造的陶瓷总称。随着科学技术不断地发展，在结构材料领域，特别是在耐热、耐高温结构材料领域中，希望开发出,在氧化物陶瓷和金属材料无法胜任的环境下使用,的特种陶瓷。,在非氧化物陶瓷中，碳化物、氮化物作为结构材料备受关注，其原因是这些材料的原子键类型大多是共价键，,具有较强的抗高温变形能力,。,2.5,碳化物陶瓷,碳化物是以通式,Me,x,C,y,（,Me,：金属元素）表示的一类化合物，特点是熔点和硬度非常高。在高温下，所有碳化物会氧化，变成,CO,2,与金属元素的氧化物。除少部分外，多数碳化物陶瓷均是电、热的导体（与氧化铝等不同），,故可用作高温电、热元件,。,2.5,碳化物陶瓷,2.5.1,SiC,陶瓷,1),晶体结构,：,SiC,主要为共价键的化合物，,SiC,晶体中存在呈四面体空间排列的杂化键,sp,3,，这是有该化合物电子结构的特点决定的。,SiC,晶体结构中的单晶胞是由相同四面体构成，硅原子处于中心，周围是碳。所有结构均由,SiC,四面体堆积而成，所不同的只是平行结合或者反平行结合。,2.5.1,SiC,陶瓷,2),制造工艺,由于其共价键结合特点，很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高密致化材料。必须采用一些特殊工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。具体包括以下几种：,热压烧结（,hot pressed sintering,）,常压烧结,(,pressureless,sintering),反应烧结（,reaction sintering,）,浸渍法,2.5,碳化物陶瓷,2.5.1,SiC,陶瓷,3),应用,SiC,陶瓷是共价键性极强的化合物，在高温状态下强度降低不明显，而且热膨胀系数小，耐腐蚀性优良，被认为是最有希望的高温结构零部件的材料之一。近年来应用范围愈来愈广泛，不仅作为传统的磨料、发热元件（,1300-1400,）,和一般的耐火材料等使用量日益增加，而且还被广泛用来做匣钵、栅板、隔焰板等,。,2.5,碳化物陶瓷,2.5.2,碳化硼陶瓷,碳化硼,(B4C):,黑色粉末，莫氏硬度,9.3,，是仅次于金刚石和立方,BN,的最硬的材料，所以具有非常高的研磨能力，其研磨能力超过,SiC,的,50%,，比刚玉粉高,1-2,倍。,碳化硼的最大用途是作为磨料直接使用或制造磨具。,2.5.3,碳化钛陶瓷,碳化钛（,TiC,）陶瓷具有熔点高、硬度高、化学稳定性好等特点，主要用来制造金属陶瓷、耐热合金、硬质合金等。,常在,WC-CO,系硬质合金刀具中加入,6%-30%,的,TiC,，以得到综合性能很好的切削刀具。,还有,TiC,涂层刀具,2.5,碳化物陶瓷,2.6,氮化物陶瓷,氮化物一般是以,Me,x,N,y,通式表示的化合物。氮化物陶瓷在某些方面弥补氧化物陶瓷的弱点，而受到人们的重视。氮化物陶瓷的种类很多，主要有氮化硼（,BN,），氮化铝（,AlN,），氮化硅（,Si,3,N,4,），氮化钛（,TiN,）等。,氮化物的,一般特征是,：晶体结构大部分为立方晶系和六方晶系。密度约为,2.516g/cm,3,，范围较宽。另外，非氧化物气氛中，耐热性很好。氮化物陶瓷的熔点很高。,氮化物陶瓷如作为结构材料,按用途分类有,：,高强度部件；,耐腐蚀、耐磨损部件；,耐热部件。,2.6.1,氮