陶瓷材料与复合材料.docx

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陶瓷材料与复合材料

第9章

其它工程材料

教学基本内容：

1、轴承合金的分类、成分、性能及应用；

2、硬质合金的分类、成分、性能及应用；

3、陶瓷的分类、成分、性能及应用；

4、复合材料的分类、成分、性能及应用；

5、高分子材料的分类、成分、性能及应用；

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

1、掌握工程塑料的分类、成分、性能及应用；

2、熟悉硬质合金和陶瓷的分类、成分、性能及应用；

3、了解复合材料的分类、成分、性能及应用。

教学重点及难点：

1、重点：

1）工程塑料的分类、成分和性能特点；

2）工程塑料的应用情况；

2、难点：

1）工程塑料的显微组织分析；

2）工程陶瓷和复合材料的特殊性能。

教学方法及手段：

1、PPT讲解；

2、课堂讲解。

作业、讨论题、思考题：

1、试分析工程塑料的分类、性能及其应用？

2、综述硬质合金、工程陶瓷和复合材料的应用现状？

第九章其它材料

第一节硬质合金

一、定义

是用粉末冶金方法制成，即将极细的金属粉末或金属与非金属粉末混合并于模具中加压成型，然后在低于材料熔点的某温度下加热烧结而成。

二、分类：

金属陶瓷硬质合金、钢结硬质合金。

1.金属陶瓷硬质合金

1）成分

将一些高硬难熔金属碳化物粉末（如WC、TiC等）和粘结剂（Co、Ni等）混合加压成型，再经高温烧结而成，其与陶结烧结成型方法相似。

2）特点

硬度高（HRC69-81），热硬性好（可达（900-1000℃），故耐磨性优良。

硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高（4-7）倍，寿命可提高（580）倍。

但硬质合金质硬性脆，不能进行机械加工，其常制成一定规格的刀片镶焊在刀体上使用。

3）应用

除作切削刀具外，还广泛用于模具、量具等耐磨件制造，以及用于采矿、石油及地质钻探等的钎头和钻头等。

4）分类

（1）钨钴类

①主要牌号有YG3、YG6、YG8等，

YG表示钨钴类硬质合金，后边的数字表示钴的含量的百分数。

②特点：

合金含钴多，材料韧性好，但硬度耐磨性降低。

（2）钨钴钛类

①主要牌号有YT5、YT15、YT30等，该类合金除含有Co和WC外，还有硬度比WC更高的TiC硬质粉末。

Y表示硬质合金，T表示含TiC，后面的数字是TiC的百分含量。

②特点：

耐磨性高，热硬性好，但强韧性较低。

一般用于制作切削钢材的工具。

（3）YW类：

该类合金含有TaC，是新型硬质合金。

TaC使合金热硬性显著提高；

该合金适宜切削耐热钢、不锈钢、高锰钢和高速钢等切削性能差的钢材的刀具。

2.钢结硬质合金

1）成分

硬化相：

TiC、WC等；粘结剂：

各种合金钢（如高速钢，铬钼钢）代替了Co、Ni；

2）特点

退火后可进行切削加工，还可进行淬火回火等工艺处理，可锻造和焊接，具有更好的使用和工艺性能。

3）应用

适用于制造各种形状复杂的刀具，如麻花钻头、铣刀等，也可制作高温下工作的模具或零件等。

第二节陶瓷材料

一、陶瓷的分类

1、按化学成分分类：

（1）氧化物陶瓷，如Al2O3；

（2）碳化物陶瓷，如SiC；（3）氮化物陶瓷：

包括Si3N4；（4）其他化合物陶瓷。

2、按性能和用途分类：

（1）结构陶瓷：

用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能；

（2）功能陶瓷：

具有优异的物理和化学性能，用以制作功能器件。

二、陶瓷的性能特点

原子结合：

主要是离子键和共价键；

性能特点：

强度高、硬度大、熔点高、化学稳定性好、线膨胀系数小，且多为绝缘体；塑性、韧性和可加工性较差。

1、机械性能

1）强度

抗压强度比抗拉强度高得多，比值为10：

1左右，高温强度比金属高得多；高温度时，强度有一定程度的下降，但其塑性韧性却大大提高，加之陶瓷材料优异抗氧化性，其可能成为未来高速高温燃气发动机的主要结构材料。

2）硬度：

高硬度、高耐磨性。

3）陶瓷增韧：

（1）增加致密度；

（2）相变增韧（体积效应和形状效应）；（3）纤维增韧。

2、其它性能

1）热性能：

熔点高、很好的高温强度和抗氧化性、但抗热震性能差。

2）电性能：

好的绝缘材料；但由于杂质，某些组元等一系列成分因素的作用及一些环境因素的影响，有些陶瓷可以作半导体或压电材料，或热电材料或环境敏感材料等。

3）特殊性能：

陶瓷薄膜具有独特的光、电、磁等物理化学性能。

可作功能材料。

三、常用工业陶瓷及其应用

1、普通陶瓷

1）成分

是用天然原料制成的粘土类陶瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成型烧结而成。

2）特点

质硬，不导电，易于加工成型；但其内部含有较多玻璃相，高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种陶瓷。

3）应用

因其成本低，产量大，广泛用于工作温度低于200℃的酸碱介质、容器、反应塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械中导纱零件等。

2、特种陶瓷

1）氧化铝陶瓷

（1）成分：

Al2O3+少量的SiO2

例、75瓷（含75%Al2O3）、95瓷（含95%Al2O3）和99瓷（含99%Al2O3

Al2O3含量越高玻璃相含量越少，气孔越少，其性能也越好，但此时工艺变得复杂，成本升高。

（2）性能

耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到1950℃，且耐蚀性好；高硬度及高温强度（760℃时HRA87，1200℃时HRA80）；很好的绝缘性能。

“缺点”是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热震性差，不适合用于有温度急变场合。

（3）应用

高温器皿；高速切削及难切削材料加工的刃具；耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门；内燃机火花塞。

2）其他氧化物陶瓷

（1）MgO陶瓷

是典型的碱性耐火材料，用于冶炼高纯度铁及其合金、铜、铝、镁以及熔化高纯铀、钍及其合金。

（2）BeO陶瓷

①性能：

在还原性气中特别稳定，其导热性极好（与铝相近），故抗热冲击性能好；但氧化铍粉末及蒸气有剧毒

②应用：

高频电炉“坩埚”、高温绝缘子、激光管、晶体管散热片、集成电路基片等。

（3）ZrO2陶瓷

①性能：

高强且耐热性好，导热率高；室温下是绝缘体，但在1000℃以上变为导体。

②应用：

用于离子导电材料（电极），传感及敏感元件及1800℃以上的高温发热体，还可用于熔炼Pt、Pd、Rh等合金的坩埚。

3）非氧化物工程陶瓷

（1）氮化硅（Si3N4）陶瓷

是目前强度最高的陶瓷，并具有优异的化学稳定性、热稳定性和耐磨性。

①性能：

稳定性极好，除氢氟酸外能耐各种酸碱腐蚀，可抵抗熔融有色金属的侵蚀；氮化硅硬度很高，摩擦系数小（只有0.1~0.2，相当于加油的金属表面），耐磨性减摩性好（自润滑性好）；很好的抗热震性。

②应用：

，耐磨材料；耐腐蚀的零件（密封环，高温轴承）；燃气轮机叶片；冶金容器和管道；精加工刀具。

（2）碳化硅（SiC）陶瓷

①性能：

最大特点是高温强度高，在1400℃时抗弯强度仍达（500-600）MPa；且其导热性好，仅次于BeO陶瓷，热稳定性耐蚀性耐磨性也很好。

②应用：

主要可用于制作火箭尾喷管的喷嘴、炉管、热电偶套管，以及高温轴承、高温热交换器、密封圈和核燃料的包封材料等。

（2）氮化硼陶瓷

A、六方氮化硼

①性能：

与石墨结构、性能相似，故又称“白石墨”，具有良好的耐热导热性，是理想的散热和高温绝缘材料；化学稳定性好，具有极好的自润滑性，其硬度较低，可进行机械加工，作成各种结构的零件。

②应用：

一般用作熔炼半导体材料坩埚和高温容器，半导体散热绝缘件，高温润滑轴承和玻璃成型模具等。

B、立方氮化硼

为立方结构，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作刀具。

第三节复合材料

一、定义

复合材料是由两种或两种以上化学本质不同的组成人工合成的材料。

其结构为多相，一类组成（或相）为基体，起粘结作用，另一类为增强相。

是一种多相材料，其某些性能比各组成相的性能都好。

二、分类

1、按结构分：

金属基复合材料、高分子基复合材料、陶瓷基复合材料。

2、按性能分：

功能复合材料、结构复合材料。

3、按增强相分：

颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）、层状增强复合材料。

三、特点

1、比强度和比模量大；

例如、碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的7倍，比弹性模量比钢大3倍。

2、耐疲劳性能比较高；

例如、碳纤维一聚树脂复合材料的疲劳极限是抗拉强度的70％－80％，而金属材料的疲劳极限只有抗拉强度的40％－50％。

3、减震性能好；

4、耐高温性能好；高温强度和弹性模量均较高；

例如、LC4铝合金，在400℃时，弹性模量接近于零，抗拉强度值也从室温时的500MPa降至30—50MPa。

而碳纤维或硼纤维增强组成的复合材料，在400℃时，强度和弹性模量可保持接近室温下的水平。

5、断裂安全性好；断裂时应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来。

6、其它性能特点

还具有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、光、磁等性能。

7、主要问题

断裂伸长小，抗冲击性能尚不够理想，生产工艺方法中手工操作多，难以自动化生产，间断式生产周期长，效率低，加工出的产品质量不够稳定等；成本比其它工程材料高得多。

四、应用

1、颗粒增强复合材料：

主要应用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。

2、弥散强化复合材料：

主要应用在原子能工业等部门，是高频电子仪器（如大功率行波管）中必不可少的导电结构材料。

3、碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCP/Al）：

用于制造大功率汽车发动机的柴油机的活塞、连杆、刹车片等；以及制造火箭、导弹构件、红外及激光制导系统构件；理想的精密仪表中高尺寸稳定性材料。

4、热塑性玻璃钢与热固性玻璃钢：

工程结构。

5、碳纤维-树脂复合材料：

主要应用于航空航天、机械制造、汽车工业及化学工业中。

6、硼纤维-树脂复合材料：

主要用于航空航天和军事工业。

7、碳化硅纤维-树脂复合材料：

主要用于航空航天工业。

8、长纤维增强金属基复合材料：

主要应用领域是航天航空，先进武器和汽车领域，同时在电子、纺织、体育等领域也具有广泛的应用潜力。

9、铝基、镁基复合材料：

主要用作高性能的结构材料；

10、钛基耐热合金及金属间化合物基复合材料：

主要用于制造发动机零件；

11、铜基和铅基复合材料：

特殊导体和电极材料，在电子行业和能源工业中具有广泛的应用前景。

12、氧化铝短纤维增强铝基复合材料：

在汽车制造等行业获得广泛应用。

13、碳化硅晶须增强铝基复合材料：

是针对航天航空等高技术领域的实际需求而发开的一类先进的复合材料。

14、短纤维增强金属基复合材料：

一般用于航空航天航海和军事等部门。

15、晶须增强金属基复合材料：

已用于制造飞机的支架，加强筋，挡板和推杆，导弹上的光学仪器平台，惯导器件等。

16、长纤维增强陶瓷基复合材料

目前用于增强陶瓷材料的长纤维主要是碳纤维或石墨纤维，它能大幅度的提高冲击韧性和热震性，降低陶瓷的脆性，而陶瓷基体则保证纤维在高温下不氧化烧蚀，使材料的综合力学性能大大提高。

如碳纤维-Si3N4复合材料可在1400℃长期工作，用于制造飞机发动机叶片；碳纤维-石英陶瓷的冲击韧性比烧结石英大40倍，抗弯强度大（5—12）倍，能承受（1200—1500）℃的高温气流冲蚀，可用于宇航飞行器的防热部件上。