第6次课-结构陶瓷-非氧化物陶瓷,复合材料PPT推荐.pptx

1、,2.2MgO陶瓷,2.2.1 MgO原料的制备,2.3.1 BeO陶瓷的性质和应用1、性质1）BeO陶瓷具有与金属相似的良好导热性，导热系数209.34 W/mK；2）热膨胀系数不大，20-1000的平均热膨胀系数为（5.1-8.9）10-6/。3）高温绝缘性良好，600-1000为（1-40）109cm。BeO陶瓷耐碱性强，能抵抗碱性物质的侵蚀（除苛性碱外）。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。BeO陶瓷的机械强度较低.,2.3 BeO陶瓷,2.3.1 BeO陶瓷的性质和应用2、应用,2.3 BeO陶瓷,导热性,耐碱性,高温比体积电阻较大,核性能,主要特

2、性,主要用途,散热器件,冶炼稀有金属和高纯金属Be、Pt、V的坩埚,中子减速剂，防辐射材料,高温绝缘材料,2.4ZrO2陶瓷,2.4.2 ZrO2的结晶形态和晶形转化在不同温度下，ZrO2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ZrO2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。,单斜ZrO2转变为四方ZrO2会产生78%的体积收缩,表面强化增韧,表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的。由于 ZrO2 陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少,t-ZrO2容易转变为 m-ZrO2,而内部 t-ZrO2

3、 由于受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此表面的 m-ZrO2比内部的多,而转变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应力,可以抵消一部分外加的拉应力,从而造成表面强化增韧。,切割应用：京瓷的民用刀具，经过近十年的发展已经成为一个国际品牌。,个人用品：氧化锆陶瓷耐磨性好，硬度高，可以抛光且外观美观，因此可作为手表带、表壳及其他装饰部件。陶 瓷表源于瑞士雷达表，后来国内有优尼克、潮州三环和北 京建材院下属公司等一些企业开始生产。目前主要生产表 带，以黑和白为主，蓝、金和红等其他颜色也已开发出来，制备工艺以热压铸和干压为主。,第二章 结构陶瓷,氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 复合材料,非氧化物陶瓷,是由金

4、属的碳化物、氮化物、硅化物、硼化物和硫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MexCy（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CO2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,SiC

5、陶瓷,B4C陶瓷TiC陶瓷,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sp3，这是由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行结合。,2.5 碳化物陶瓷,2.5.1 SiC陶瓷1）晶体结构：-SiC 高温稳定型，-SiC 低温稳定型,2.5.1 SiC陶瓷2）原料制备（粉体）氧化物还原法SiC粉末的制备，是将SiO2与碳粉混合，在1460-1600的加热条件下，逐步还原碳化。其大致历程如下SiO

6、2+C SiO+CO SiO+2CSiC+CO SiO+CSi+CO Si+CSiC,2.5 碳化物陶瓷,2.5.1 SiC陶瓷3）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。且碳化硅表面有一层薄氧化膜，更增加了致密化难度。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（2000,350MPa）常压烧结（SiC添加B和C，2000，惰性气氛）反应烧结（SiC+石墨）+渗Si，1650）浸渍法（SiC粉末+聚碳硅烷，1000）,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

7、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,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,碳化硅电热板,碳化硅磨料,碳化硅轴承球,2.5.1 SiC陶瓷,2.5 碳化物陶瓷,2.5 碳化物陶瓷,2.5.2 碳化硼陶瓷碳化硼（B4C）：莫氏硬度9.3，是仅次于金刚石和立方BN的

8、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 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模具。利用B4C的超高硬度，用它来制成各种喷砂嘴,B4C由于它的超硬以及密度小的特点，国外很早就将它用来作轻型防弹材料，做防弹衣或防弹装甲，近年来用它与高强尼龙材料复合做成复合装甲也取得进展。B4C陶瓷防弹片与聚乙烯压板复合制备靶板。能抵御7.62mm口径弹道枪和53式穿甲燃烧弹（弹速806m/s）攻击。,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%

9、-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,2.5.3 碳化钛陶瓷,2.5 碳化物陶瓷,TiC、TiN镀层模具,2.6氮化物陶瓷,氮化物一般是以MexNy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（Si3N4），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/cm3，范围较宽。另外，氮化物陶瓷的熔点很高，非氧化物气氛中，耐热性很好。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

10、件；耐热部件,2.6氮化物陶瓷,氮化物的一般特征是：耐热部件,2.6氮化物陶瓷,氮化硅（Si3N4）氮化硼（BN）氮化铝（AlN）氮化钛（TiN）,2.6.1 氮化硅陶瓷1）晶型Si3N4的两种晶型分别是：-Si3N4针状结晶体；-Si3N4颗粒状结晶体。两者均属于六方晶系。A、将高纯硅在1200-1300下氮化，可得到白色或灰白色的-Si3N4，B、将高纯硅在1450左右氮化时，可得到-Si3N4。,2.6 氮化物陶瓷,2.6.1 氮化硅陶瓷Si3N4晶体构造,氮化硅是由SiN4四面体共用顶角构成的三维空间网络。,2.6 氮化物陶瓷,2.6.1 氮化硅陶瓷2）制造工艺Si3N4粉末的合成有以

11、下几种方法：,Si的直接氮化法,（3Si+2N2Si3N4）；（3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO）；（3Si（NH）2 Si3N4+NH3）；（3SiCl4+16NH3 Si3N4+12NH4Cl）,SiO2还原氮化法 亚胺和胺化物热分解法,SiCl4的化学气相沉积,2.6 氮化物陶瓷,2.6.1 氮化硅陶瓷2）制造工艺Si3N4陶瓷的制备方法主要有反应烧结法和热压烧结法。,2.6 氮化物陶瓷,2.6.1 氮化硅陶瓷2）制造工艺反应烧结Si3N4陶瓷工艺：先将硅粉用一般陶瓷材料的成型方法，做成所需形状的素坯，接着在远低于硅熔点的温度下进行初步氮化，使之获得一定强度；然后在机床上将其

12、加工到最后的制品尺寸，再进行正式氮化，直到坯体中硅粉完全氮化为止。冷却后取出，即得到所需要的氮化硅部件。,2.6 氮化物陶瓷,Si3N4轴承,2）制造工艺氮化硅陶瓷强度高，韧性好，是最好的陶瓷材料之一。氮化硅陶瓷有高的电阻率，高的介电常数，低的介质损耗，可用作电路基片，高温绝缘体，电容器，雷达天线等。氮化硅有优良的化学稳定性。氮化硅硬度高，摩擦系数低。,2.6.1 氮化硅陶瓷,氮化硅陶瓷发动机,陶瓷发动机的开发研制是高温结构陶瓷研究的主要目标及最重要的应用。发动机的零、部件一般是在高温、高速运转等苛刻 的工况条件下运作，普通的金属材料或高分子材料难以满足要 求，即使高温合金使用温度也不能超过1

13、050，而且效率较低。而Si3N4陶瓷发动机则具有以下优越性能：发动机的工作温度可提高到12001650，并且无需水冷系统，可使发动机效率提高30%左右，而传统的发动机材料一般为镍基等耐热合金，其工作温度在1000左右，且需循环水冷却系统。工作温度高，可使燃料充分燃烧，所排废气中的有害成分大为降低，从而降低了能耗，减少了环境污染。,Si3N4陶瓷的热传导率比金属低，使发动机的热量不易散发，节省能源。,Si3N4陶瓷良好的高温强度可改善发动机性能、延长发动机的使用寿命。美国早在1982年就由CUMMINS公司研制出试验性无冷却柴油发动机，现已研制出汽车、卡车、轮船用陶瓷发动机。日本政府也在198

14、4年制成全陶瓷发动机，其热效率达48%，节约燃料50%,输出功率提高30%,而重量减轻了30%。1991年，中国的陶瓷发动机汽车从上海到北京试开了一个来回，试用情况表明，这种发动机不必水冷却并能大量节约汽油。,2.6.2 氮化铝陶瓷AlN陶瓷具有高导热性、高强度和耐热性。可以作为散热片；熔融金属用坩埚、保护管、真空蒸镀用容器；还可以用作真空中蒸镀Au的容器、耐热砖、耐热夹具等。特别是作为耐热砖应用时，因其在特殊气氛中的耐高温性能优异，所以常用作2000左右的非氧化性电炉的衬材材料。,2.6 氮化物陶瓷,2.6.3 氮化硼（BN）陶瓷氮化硼陶瓷是一种以氮化硼为主的陶瓷。具有优良的电绝缘性、耐热性

15、、耐腐蚀性、高导热性，能吸收中子，高温润 滑性和机械加工性好，是发展较快、应用较广的一种氮化物陶瓷。,2.6 氮化物陶瓷,2.6 氮化物陶瓷,六方氮化硼（HBN）陶瓷,2.6 氮化物陶瓷,金刚石（左）与立方BN（右）原子结构,碳原子氮原子硼原子,2.6.4 氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷是一种新型的结构材料，它不但硬度高，熔点高，化学稳定性好，而且具有金属光泽。因此，氮化钛即也是一种很好的耐熔耐磨材料，也是一种受人欢迎的代金装饰材料。在切削加工工具行业，已广泛采用CVD、PVD法处理刀具以延长使用寿命。TiN还具有良好的导电性能，常用作熔盐电解的电极以及电触头材料。还具有较高的超导临界温度，是一种优良的

16、超导材料。,2.6 氮化物陶瓷,第二章 结构陶瓷,氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 复合材料,现代陶瓷材料具个耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺点，即脆性，这一弱点正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。其中，往陶陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。,2.7 复合材料,复合材料：含有两种或两种以上物理性质明显不同的组分或相，这些组分或相宏观上被明显的界面所分离。特点：复合材料是多相体系，组成材料相互取长补短以求良好综合性能。,2.7 复合材料,对复合材料的命名基于其组成：强调基体时则以基体为主金属基复合材料，树脂基复

17、合材料、陶瓷基复合材料强调增强材料时则以增强材料为主碳纤维增强复合材料，玻璃纤维增强复合材料基体与增强材料并用碳纤维增强环氧树脂复合材料,2.7 复合材料,按复合效果进行分类A、结构材料：各种纤维增强复合材料（力学型复合）B、功能材料：碳/碳耐热复合材料及其它,玻璃纤维增强塑料 碳、硼纤维增强塑料,复合材料=增强材料+基体玻璃钢玻璃+树脂,混凝土砂+水泥木头木质素+纤维素骨头胶原质+磷灰石,贝壳碳酸钙+基质胶原,2.7复合材料,一、陶瓷纤维、晶须的制备二、纤维补强陶瓷复合材料,三、金属陶瓷,陶瓷增强陶瓷,碳纤维；硼纤维、碳化硅纤维；晶须,2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备1）碳纤维碳纤维的直径约

18、7-8m，是“乱层石墨微晶”组成的多晶体。X射线衍射和电子显微镜的研究结果表明，碳纤维结构的基本单元是石墨晶片。由石墨层片形成的乱层石墨微晶一头接一头地连接形成碳纤维。,2.7 复合材料,2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备1）碳纤维碳纤维具有以下性能：密度随原料处理条件变化。弹性和弹性模量高。热性能，碳纤维热膨胀系数小，其热容量低，可以经受剧烈的加热或冷却，在-180时纤维仍是柔软的。而垂直于纤维方向的膨胀系数几乎等于零。,2.7 复合材料,2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备1）碳纤维碳纤维的生产过程（聚丙烯腈前驱物）第一阶段在空气中于200400进行低温氧化；第二阶段是在惰性气体中在1000左右

19、进行碳化处理；第三阶段则是在惰性气体中于2000以上的温度作石墨化处理。,2.7 复合材料,聚丙烯腈先驱丝碳（石墨）纤维的制造,2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备2）硼纤维硼纤维是1956年由美国Texaco实验公司所发明的。主要优点是弹性模量高，熔点高、密度比金属小，故用于制备金属基复合材料。硼纤维的制造过程是将元素硼用蒸气沉积的办法沉积到 耐热的金属丝-底丝上（一般用钨丝）。改变底丝材料、蒸气的化学成分、底丝的温度，可以改变所制造的硼纤维的性能。目前常用制造工艺有：卤化法，有机金属法。硼纤维是脆性纤维，硼纤维在拉伸过程中没有塑性变形，应变值很小，具有较高的弹性模量。,2.7 复合材料,2.7

20、.1 陶瓷纤维、晶须的制备3）碳化硅纤维碳化硅纤维是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，1960年Nither等人用化学气相沉积法（CVD）研制出了带有钨丝芯的碳化硅纤维。70年代美国AVCO公司采用碳化硅纤维做底丝，用甲基三氯硅烷共同沉积的方法成批生产碳化物纤维。平均抗拉强度可达2450MPa。碳化硅制备方法：化学气相沉积法,2.7 复合材料,2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备3）碳化硅纤维碳化硅制备方法：化学气相沉积法,2.7 复合材料,硅烷、氢气/T,C or W,2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备4）晶须80年代国内外已开始使用金属或非金属晶须来增强金属。晶须是细短的微晶体，即近乎纯晶体

21、的单晶，几乎 无位错，其强度接近理论强度，一般直径为0.05-10 m，长度为数毫米。而事实上，通常是把存在某种缺陷的长度为几百微米的大结晶也作为晶须看待。,2.7 复合材料,2.7.2 纤维增强陶瓷复合材料1）纤维增强陶瓷的机理在外加负荷作用下，在陶瓷坯体表面或内部的微裂 纹尖端生产应力集中，因陶缺乏塑性变形，没有吸收能 量的过程，致使外加负荷的能量都集中于裂纹的扩展上，而且裂纹的扩展速度及其迅速，往往在瞬间就能使坯体 在遭到灾难性破坏，呈现脆性断裂。为了控制裂纹的延伸，必须采用一些措施来吸收能量，消除裂纹尖端所集中的应力。对于纤维增强陶瓷，当裂纹扩展遇到纤维的地方，剩余的能量被吸收，阻止它

22、继续延伸。,2.7 复合材料,2.7.2 纤维增强陶瓷复合材料1）纤维增强陶瓷的机理要制作高强度、高韧性复合材料，最好能满足以下几点要求：高强度、高模量的纤维或晶须（均大于基体材料）。在复合材料制备条件下（如温度和气氛）下，纤维或晶须性能不退化。纤维或晶须与基体不发生化学反应。热膨胀系数匹配，最好是纤适当大于基。在复合材料中，纤维与基体间的结合力以达到适宜的程度为宜，及保证基体应力向纤维上的有效传递，又能使纤维从基体中有足够长度拔出。,2.7 复合材料,2.7.2 纤维增强陶瓷复合材料2）几种受关注的陶瓷基复合材料系统碳纤维/石英复合材料碳纤维与石英在合适的制作温度下是不会发生化学反应的,而且

23、碳纤维的轴向热膨胀系数与石英的热膨胀系数相当,这样便于形成复合材料。碳纤维/氮化硅复合材料在1600以上碳纤维与氮化硅发生反应，同时由于两者在热膨胀系数上的不匹配，在复合材料中基体往往产生裂纹，因此必须设法降低这一系统复合材料的制作温度和调整它们在热膨胀上的不匹配。,2.7 复合材料,2.7.3 金属陶瓷金属陶瓷（cermet）是一种金属或合金同陶瓷所组成的非均质的复合材料。金属与陶瓷各有优缺点，金属陶瓷就是把二者结合成整体，具有高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、耐高温和膨胀系数小等优点。可作为工具材料、结构材料、耐热、耐腐蚀材料，在不同的工业部门得到了广泛使用，并且收到显著的技术经济效果。,2

24、.7 复合材料,2.7.3 金属陶瓷,2.7 复合材料,2.7.3 金属陶瓷金属陶瓷中的陶瓷相通常是由高熔点的化合物组成，大致分类如下：氧化物：Al2O3、ZrO2、MgO；碳化物：TiC、SiC、WC；硼化物：TiB2、ZrB2、CrB2；氮化物：TiN、BN、Si3N4、TaN；作为金属相原料为纯金属及其合金粉末。如：Ti、Cr、Ni等。近年来内氧化法取得进展：Al、Mg等,2.7 复合材料,2.7.3 金属陶瓷金属陶瓷的制造工艺（以碳化钨基金属陶瓷为例）：碳化钨粉的制备为了获得均匀细小的钨粉颗粒，还原温度不能太高，要有充足的氢气，慢速的温升。金属粉末的选择采用金属钴、铁粉，一般以还原氧化物方法而制得。混合料制备制备混合料的目的，在于使碳化物和粘结金属粉末混合均匀，并且使它们进一步磨细。,成型 烧结,一般采用干压、注浆、挤压、等静压、热压等方法。金属陶瓷在空气中烧成，往往会氧化或分解，所以必,须分局坯料性质及成品质量控制炉内气氛，使炉内气氛保持真空或还原气氛。,2.7 复合材料,