1机械工程材料0第十章陶瓷材料

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,第十章 陶瓷材料,工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。,第一节 概述,一、陶瓷材料的特点,1,、陶瓷材料的相组成特点,陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即,晶相,(,1,),、,玻璃相,(,2,),和,气相,(,3,),气孔,。,料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。,气相,是在工艺过程中形成并保留下来的。,晶相,是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。,玻璃相,的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材,2,、陶瓷材料的结合键特点,陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键,(,如,Al,2,O,3,),、,共价键,(,如,Si,3,N,4,),及两者的混合键为主。,共价键,离子键,3,、陶瓷材料的性能特点,陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。,陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点,。,功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能,。,韧性陶瓷硬度压痕,脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹,4,、陶瓷材料的工艺特点,陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。,烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。,Al,2,O,3,粉末的烧结组织,ZrO2,陶瓷中的气孔,二、陶瓷材料的分类,1,、按化学成分分类,可将陶瓷材料分为,氧化物陶瓷,、,碳化物陶瓷,、,氮化物陶瓷,及,其它化合物陶瓷,。,导电玻璃,玻璃幕墙,2,、按使用的原材料分类,可将陶瓷材料分为,普通陶瓷,和,特种陶瓷,。,普通陶瓷,以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。,特种陶瓷,采用人工合成的材料作原料。,3,、按性能和用途分类,可将陶瓷材料分为,结构陶瓷,和,功能陶瓷,两类。,陶瓷零件,第二节 常用工业陶瓷,一、普通陶瓷,普通陶瓷是用粘土,(Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O),、,长石,(K,2,OAl,2,O,3,6SiO,2,，,Na,2,OAl,2,O,3,6SiO,2,),和石英,(SiO,2,),为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。,其组织中主晶相为莫来石,(3Al,2,O,3,2SiO,2,),，,占,2530%,，玻璃相占,3560%,，气相占,13%,。,普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。,除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。,景德镇瓷器,绝缘子,二、新型结构陶瓷,氧化铝陶瓷,氧化铝陶瓷以,Al,2,O,3,为主要成分,含有少量,SiO,2,的陶瓷，又称高铝陶瓷。,Al,2,O,3,化工、耐磨陶瓷配件,Al,2,O,3,密封、气动陶瓷配件,单相,Al,2,O,3,陶瓷组织,根据,Al,2,O,3,含量不同分为,75,瓷,(,含,75%Al,2,O,3,，,又称刚玉,-,莫来石瓷,),、,95,瓷和,99,瓷，后两者又称刚玉瓷。,氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到,1950,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高,(,仅次于金刚石,).,95,瓷纺织件,99,瓷纺织件,氧化铝耐高温喷嘴,氧化铝陶瓷转心球阀,氧化铝陶瓷密封环,氧化铝陶瓷坩埚,氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、,热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。,氮化硅（,Si,3,N,4,）,陶瓷,氮化硅是由,Si,3,N,4,四面体组成的共,价键固体。,氮化硅的制备与烧结工艺,工业硅直接氮化：,3Si+2N,2,Si,3,N,4,二氧化硅还原氮化：,3SiO,2,+6C+2N,2,Si,3,N,4,+6CO,烧结工艺,优点,缺点,反应烧结,烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状,密度低，强度低，耐蚀性差,热压烧结,用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好,只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低,性能特点及应用,氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为,0.10.2,；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。,热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。,Si,3,N,4,轴承,反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。,汽轮机转子,叶片气阀等零件,碳化硅（,SiC,）,陶瓷,碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。,碳化硅是用石英沙,(SiO,2,),加焦碳直接加热至高温还原而成,：,SiO,2,+3CSiC+2CO,。,碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。,常压烧结碳化硅,碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。,SiC,密封件,碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。,SiC,陶瓷件,SiC,陶瓷件,SiC,轴承,氧化锆陶瓷,氧化锆的晶型转变：立方相,四方相,单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。,ZrO,2,氧化锆单相陶瓷,在氧化锆中加入某些氧化物,(,如,CaO,、,MgO,、,Y,2,O,3,等,),能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆,(FSZ),，,其力学性能低，抗热冲击性差。,ZrO,2,陶瓷耐火件,减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆,(PSZ),。,氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过,应力诱发,产生。,当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。,部分稳定氧化锆组织,部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。,部分稳定氧化锆制品,氧化锆制品,氧化锆油泵,氧化柱塞,氧化锆拉线轮,氧化锆球阀,部分稳定氧化锆喷涂层,增韧氧化锆导轮芯轴,退出,