结构陶瓷ppt课件

特种陶瓷,第5章 结构陶瓷,1,内容,本讲主要内容,2 特种陶瓷的力学性能,1 概述,3 氧化物陶瓷,4 非氧化物陶瓷,2,特种陶瓷,功能陶瓷,结构陶瓷,非氧化物陶瓷,磁性陶瓷,氧化物陶瓷,电介质陶瓷,压电陶瓷,敏感陶瓷,超导陶瓷,生物陶瓷,1 概述,3,常见结构陶瓷分类,1 概述,4,结构陶瓷：主要是利用到陶瓷的力学性能。,力学性能主要包括：,强度,塑性,韧性,蠕变,弹性,硬度,1 概述,5,陶瓷材料的变形特性,1-纯金属 2-陶瓷 3-高弹性材料,应力,受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。,应变,一微小材料元素承受应力时所产生的单位长度变形量。,1 概述,6,陶瓷形变的特点,1）在极微小的应变下立即出现脆性断裂，伸长率和收缩率都几乎为零。 2）压缩时的弹性模量大大高于拉伸时的弹性模量。,键合很强的离子键和共价键，有明显的方向性，因此滑移系很少。,弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。,1 概述,7,强度,抗压强度,材料在单向受压力作用破坏时，单向面积上所承受的荷载。,材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。,抗拉强度,抗弯（折）强度,指材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的强度。,2 力学性能,8,陶瓷的脆性断裂,实际材料的强度只有理论强度的1/101/100。,材料内部存在原始裂纹，当材料受力时，在裂纹尖端处产生应力集中，如果尖端处的应力超过材料的理论强度时，裂纹就迅速扩展，最后使材料断裂。,格里菲斯Griffith脆性断裂理论,2 力学性能,9,断裂韧性（KIC）,指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量,张开型（I） 滑开型（II） 撕开型（III）,2 力学性能,10,E：弹性模量 g：断裂能,根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以借助于对裂纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。,2 力学性能,从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是： 提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力； 减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。,11,陶瓷增韧机理,2 力学性能,12,硬度,固体材料对外界物体压陷、刻划等作用的局部抵抗能力，是衡量材料软硬程度的一个指标。,划痕硬度 压入硬度 回跳硬度,2 力学性能,13,维氏硬度（HV）,以49.03980.7N的负荷,将相对面夹角为136的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。,HV10： P为载荷，如10kg。 d为压痕对角线长度(mm)。,2 力学性能,14,氧化物陶瓷,高熔点氧化物陶瓷：熔点超过SiO2熔点(1728oC)。,3 氧化物陶瓷,15,3.1 氧化铝陶瓷,主要内容： （1）概述 （2）粉末的制备 （3）陶瓷的制备 （4）性能与应用,3 氧化物陶瓷,16,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.1 概述,Tm=2050oC 莫氏硬度：9 体积密度：3.96g/cm3 抗弯强度：300-800MPa 弹性模量： 300GPa 比体积电阻： 1014,17,Al2O3晶型转变,-Al2O3 -Al2O3 K2O Na2O CaO BaO -Al2O3 (Na2O11Al2O3，CaO6Al2O3),1600oC,12001300oC,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.1 概述,18,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.2 粉体制备,19,制备工艺,原料煅烧,磨料,配料混料,塑化,成型,干燥,修坯,烧结,表面处理,性能检测,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.3 陶瓷制备,20,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.3 陶瓷制备,影响因素,21,（1）氧化铝含量,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.3 陶瓷制备,22,（2）粉体粒度和添加剂含量,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.3 陶瓷制备,23,（3）成型方式与性能,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.3 陶瓷制备,24,（4）烧结气氛与性能,硬度（HR15N）,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.3 陶瓷制备,25,1） 高强度高稳定性：装饰瓷、喷嘴、火箭导弹的引流罩,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.4 用途,26,2） 高硬度、高耐磨性：切削工具、模具、磨料、轴承、人造宝石,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.4 用途,27,3）熔点高，抗腐蚀：耐火材料、坩埚、炉管、热电偶保护套等,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.4 用途,28,4）透明氧化铝：钠灯管、全瓷牙等,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.4 用途,29,5）电绝缘性：电介质陶瓷,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.4 用途,30,6）导电陶瓷 （b-氧化铝）,3 氧化物陶瓷,3.1 氧化铝陶瓷 3.1.4 用途,31,主要内容,1）氧化锆陶瓷的概况 2）氧化锆的相变 3）氧化锆陶瓷的制备 4）氧化锆陶瓷的性能及其应用,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷,32,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.1 概况,金刚石（钻石）,立方氧化锆（苏联钻）,莫氏硬度：10 色散：0.044,莫氏硬度：8.5-9 色散：0.060,33,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.1 概况,发 展 历 程,1892年 首次发现氧化锆,1920年 耐火材料,1968年 非线性电阻（松下）,1973年 电解质氧传感器（美国）,1975年 部分稳定氧化锆磨球（澳洲）,1982年 柴油机缸套（美、日）,1990年代 氧化锆阀芯、光纤连接器,1990年代末 陶瓷刀具,2000年后 氧化锆全陶瓷牙,34,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.1 概况,2013年世界总销售额突破3000亿美元,35,来源：含锆的矿石锆英石（ZrSiO4），斜锆石（ZrO2） 颜色：白色（高纯），黄色或者灰色（含杂质，通常为HfO2） 密度：5.656.27 g/cm3 熔点：2715oC,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.1 概况,36,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,1100-1200oC,1000-900oC,2370oC,单斜 m-ZrO2 a=0.518 81 b=0.521 42 c=0.538 35,四方 t-ZrO2 a=0.514 85 c=0.526 72,立方 c-ZrO2 a=0.508 00,马氏体相变,37,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,(1) 相变过程有3-4%的体积变化。并且有切向的形变发生。,38,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,(2) 相变以音速发生，没有原子级别的扩散，通过原子的协调运动进行。,晶型稳定化处理!,纯氧化锆无法烧结致密,39,ZrO2的稳定化,通常添加的稳定剂为CaO、MgO、Y2O3、CeO2或其他稀土氧化物。这些氧化物的阳离子半径与Zr4+很相近（12%），因此在ZrO2中溶解度很大，可以形成立方相的置换型固溶体。,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,+Y2O3,40,（2）部分稳定化ZrO2 （Partially Stabilized Zirconia, PSZ),当稳定剂较少时，不足以使得所有的c相保持的室温，ct，甚至ctm的相变过程仍会发生，得到（c+t）、（c+t+m）或者（t+m）相的ZrO2，这种氧化锆叫做部分稳定化ZrO2。,（3）四方ZrO2多晶体 （Tetragonal Zirconia Polycrystals, TZP),当进一步减少稳定剂的加入量，使几乎所有的t相亚稳到室温，称为四方氧化锆多晶体。,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,FSZ,PSZ,TZP,（1）全稳定化ZrO2 （Fully Stabilized Zirconia, FSZ),立方相以亚稳态保持到室温，而不再发生相变，这种c-ZrO2称为全稳定化ZrO2。,41,随着Y2O3的增加，t-ZrO2的正方度（c/a）减小，当Y2O38%时，全部c相保持到室温，得到FSZ材料。当加入量中等时（如5%），则可能得到PSZ材料。,FSZ,PSZ,8,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,42,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,相变增韧,（1）tm相变过程中，有4%体积膨胀，从而吸收断裂能，降低尖端处的张应力。（裂纹尖端诱发相变）,（2）相变引起的体积膨胀，在裂纹周围形成压应力区域，抵抗裂纹的扩张。,43,(3) 当主裂纹扩展时遇到这些微裂纹，主裂纹发生偏转、分叉，吸收了断裂能，使材料在更高的荷载下才能断裂，称为微裂纹增韧机制,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.2 相变,相变增韧,44,（1）PSZ的物理性能,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.3 性能,45,（2）TZP的物理性能,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.3 性能,46,（3）ZrO2增韧Al2O3（Zirconia Toughened Alumina, ZTA),也称为弥散型ZrO2陶瓷。含约未经稳定的ZrO2和Al2O3的复合陶瓷。,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.3 性能,47,（1）粉体制备,a. 锆英石加碳氯化法,ZrSiO4 + 4C + 4Cl2 ZrCl4 + SiCl4 + 4CO,(300oC),(57.6oC),+ H2O,150-180oC凝固分离,ZrOCl2，氯氧化锆,冷却结晶焙烧,ZrO2 + Cl2,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.4 制备,48,b. 高温碱解法,锆矿 + 苛性钠/纯碱 Na2ZrO3,熔解,盐酸,ZrOCl2,+ 氨水/ NaOH,Zr(OH)4,热解,ZrO2,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.4 制备,49,c. 共沉淀法,Y2O3,+ HCl,YCl3,ZrOCl28H2O,氨水,Zr(OH)4 + Y(OH)3,ZrO2(Y2O3),热分解,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.4 制备,50,（1）高硬度、高强度、高韧性,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.5 应用,51,（2）高温热稳定性、高温隔热、高温强度,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.5 应用,52,（3）其他应用,ZrO2氧气敏感陶瓷 ZrO2导电陶瓷,氧传感器，固体电解质等,高温发热体，高温电极材料等,3 氧化物陶瓷,3.2 氧化锆陶瓷 3.2.5 应用,53,