陶瓷材料简要介绍PPT课件

2022-4-2211 陶瓷的基本相陶瓷的基本相2 陶瓷的基本性能陶瓷的基本性能3 陶瓷力学性能的检测方法陶瓷力学性能的检测方法4 常见陶瓷常见陶瓷5 产品分析产品分析目录第1页/共44页2022-4-2221 陶瓷的基本相1.1 晶相 1.2 玻璃相1.3 气孔第2页/共44页气孔晶相玻璃相陶瓷基本相第3页/共44页2022-4-2241.1 晶相 主要组成相，一般由离子键（MgO和Al2O3）或共价键（SiC、Si3N4）结合而成，其种类、数量、晶粒大小等对陶瓷的性能起决定性作用。第4页/共44页晶相种类及含量对陶瓷抗折强度的影响瓷质长石质瓷强化长石质瓷刚玉瓷主晶相及含量莫来石2030%莫来石、刚玉4060%刚玉90%抗折强度/MPa80100500a.晶相种类及含量对陶瓷强度的影响：第5页/共44页b.晶粒大小对陶瓷强度的影响： 强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系式： b o kd-1/2 式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害。第6页/共44页晶粒直径/um193.290.554.325.111.58.76.71.8抗折强度/Mpa75.2140.3 203.8 311.1 431.1 483.6 484.8581刚玉陶瓷的晶粒尺寸与抗折强度 如刚玉陶瓷的晶粒尺寸大小对其抗折强度的影响。第7页/共44页81.2 玻璃相非晶态固体，陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应后，形成液相，冷却凝固而成。玻璃相作用粘 结 晶 相降低烧结温度抑制晶粒长大填 充 气 孔缺点：熔点低，热稳定性差，在较低温度下开始软化. 第8页/共44页1.3 气相：气孔的影响： i：有害的影响：降低强度。 ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。第9页/共44页高强度陶瓷的组织要求： 晶粒尺寸小，晶体缺陷少晶粒尺寸均匀，等轴晶界相含量适中，减少脆性玻璃相减少气孔率高强度陶瓷 块状纤维晶须Al2O3280210021000不同截面大小陶瓷的强度值：MPa均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度越高。第10页/共44页2022-4-22112 陶瓷的基本性能2.1 力学性能2.2 物理及化学性能第11页/共44页2.1 力学性能:：硬度 是各类材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在1500HV以上。 （淬火钢：500-800HV）, 陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。 ：刚度 是各类材料中最高的。 ：强度 耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 ：塑性，在室温几乎没有塑性。 ：韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。第12页/共44页2.2 物理及化学性能：.熔点：具有高的熔点，多数在2000以上。.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6，结构 紧密，膨胀系数小。.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力； 陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。 .高的化学稳定性：抗氧化，1000高温下不氧化；对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。第13页/共44页3 陶瓷力学性能的检测方法3.1 硬度3.2 弯曲强度3.3 断裂韧性第14页/共44页 3.1 硬度 硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采用的是维氏硬度与莫氏硬度。材料Al2O3MgOZrO2BeOB4CSiCZrC硬度(HV)2000122017001520-495025502600材料TiCWC金刚石Si3N4CBNAlNMoSi2硬度(HV)32002400100001700700014501180 典型结构陶瓷材料维氏硬度第15页/共44页维氏硬度的测量 将一个相对夹角为136的正四棱锥金刚石压头在一定的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测定压痕两对角线的长度并取其平均值（d）计算压痕的实际面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV表示。经几何换算后得到：20.1891 PHVdHV - 维氏硬度符号； P -试验力，N； d- 压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm第16页/共44页莫氏硬度表分级代表材料分级代表材料分级代表材料1滑石2石膏3方解石4萤石5磷灰石6正长石7石英玻璃8石英9黄玉10石榴石11熔融氧化铝12刚玉13碳化硅14碳化硼15金刚石莫氏硬度：是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。第17页/共44页3.2 弯曲强度弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种)(232MPahbLP式中为抗弯强度(MPa)，P为加载载荷(N)，L为支点跨距（mm)，b为试样断口处宽度(mm)，h为试样断口处高度(mm)。三点弯曲强度测试示意图第18页/共44页 应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，常用的方法有单边切口梁法、压痕法、双扭法和双悬臂梁法。本节只简要介绍压痕法测定方法。3.3 断裂韧性第19页/共44页2022-4-2220 用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求得KIc值。压痕法 PPC（左）和PPC（右）时压痕（以PC作为可是压痕产生裂纹的临界负荷）第20页/共44页压痕法caEHHaKIC4 . 8lg055. 05221KIC是断裂韧性为一常数，约等于3HV是维氏硬度a为压痕对角线长度的一半c为表面裂纹长度的一半第21页/共44页4 常见陶瓷4.1 普通陶瓷4.2 特种陶瓷 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 第22页/共44页原材料粘土（Al2O3 2SiO2 H2O）长石（K2O Al2O3 6SiO2；Na2O Al2O3 6SiO2）石英（SiO2）4.1 普通陶瓷坚硬，不氧化、不导电，成型性好耐1200高温，成本低廉。强度低，高温下玻璃相易软化。性能性能化工陶瓷日用陶瓷日用陶瓷电工陶瓷用途用途建筑陶瓷第23页/共44页 特种陶瓷，又称精细陶瓷，采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷。4.2 特种陶瓷第24页/共44页 氧化物陶瓷： 1）氧化铝陶瓷 以- Al2O3为主晶相，根据Al2O3含量和添加剂的不同，有不同系列。如根据Al2O3含量不同可分为75瓷，85瓷，95瓷，99瓷等;根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉-莫来瓷和刚玉瓷;根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。第25页/共44页牌号Al2O3（）相对密度硬度（莫氏）抗压强度Mpa抗拉强度Mpa85瓷853.459180015096瓷963.729200018099瓷993.9092500250性能：Al2O3含量越高，性能越好，氧化铝陶瓷的性能第26页/共44页2022-4-2227应用应用化学稳定性：A12O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用;热的硫酸能溶解A12O3，热的HCl, HF对其也有一定腐蚀作用。可作为耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套，输送酸的管道内衬和阀门第27页/共44页2022-4-2228高硬度和耐磨性：在机械领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨零件、刀具。各种发动机中还大量使用A12O3陶瓷火花塞。电绝缘性能和较低的介质损耗：氧化铝的含量高于95%的Al2O3陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点，因而在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。第28页/共44页 2）氧化锆陶瓷 ZrO2有立方结构(c相)、四方结构(t相)及单斜结构(m相)。根据所含相的成分不同，ZrO2陶瓷可分为稳定ZrO2陶瓷材料、部分稳定ZrO2陶瓷。 第29页/共44页稳定ZrO2陶瓷：主要由立方相组成p耐火度高、比热与导热系数小：是理想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层。p化学稳定性好：高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀，但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第V , VI ,VII族金属元素与其不发生反应，可以用来作为熔炼这此金属的坩埚。第30页/共44页2022-4-2231p 强度，断裂韧性和抗热冲击性能非常高：被称为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小，隔热效果好，而热膨胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在日前所研制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。部分稳定ZrO2陶瓷：由四方和立方双相组织组成第31页/共44页足够高的强度和耐磨性，又与光纤材料相似的线膨胀系数（5*10-6/），当环境温度发生变化时候，氧化锆陶瓷的收缩和膨胀和光纤基本相同，以保证光纤端面的紧密接触，防止光信号的损失。光通讯用光纤陶瓷插芯第32页/共44页 3）氧化铍陶瓷）氧化铍陶瓷 氧化铍陶瓷最大的特点是高导热率、高熔点（2530)、高强度、高绝缘性、高化学和热稳定性、高抗热冲击性，经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。 以以BeO陶瓷为基板的10cm*5cm高密度电路第33页/共44页第34页/共44页 按制造工艺分：热压烧结氮化硅热压烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷； 反应烧结氮化硅反应烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷。 热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷有20%30%气孔. 氮化物陶瓷1）氮化硅陶瓷第35页/共44页2022-4-2236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 热压烧结和反应烧结氮化硅性能对比第36页/共44页特点：（1）硬度高：氮化硅的硬度高，HV=18GPa21GPa，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种超硬材料。（2）摩擦因子小：只有0.10.2，具有自润滑性；（3）化学稳定性好：抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀；（4）较高的室温抗弯强度和断裂韧性:室温抗弯强度通常在800-1050MPa，断裂韧性为6-7MPam1/2 第37页/共44页Si3N4轴承应用：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。 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、气阀第38页/共44页2） 氮化铝AlN陶瓷 密度3.26g/cm3，无熔点，在2200- 2250升华分解，热硬度很高，即使在分解温度前也不软化变形。莫氏硬度79，强度200300MPa。最大的特点是导热率高，可达200W/m.K以上，是 A12O3的2-3倍，热压时强度比Al2O3还高，与单晶硅相匹配的热膨胀系数，以及高电阻率，是理想的基片材料。问题：难烧结， 成本高(气氛保护等等)第39页/共44页 包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、 碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。特点特点具有很高的熔点（3000以上以上） 高硬度高硬度（硬度B4C的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼）耐高温氧化能力差，脆性极大 碳化物陶瓷第40页/共44页碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为3.2103kgm-3，弯曲强度和抗压强度分别为200250MPa和10001500MPa，硬度为莫氏9.2。 特点：特点：热导率高，而热膨胀系数小。 应用：应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。 第41页/共44页 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喷嘴SiC陶瓷件陶瓷件SiC轴承轴承第42页/共44页谢谢第43页/共44页2022-4-22Anming Li, Dept of MSE,hpu44感谢您的观看！第44页/共44页