新型陶瓷材料.doc

9.3 : 新型陶瓷材料9.3.1氧化物陶瓷4 氧化鋯陶瓷（ZrO2） ZrO2陶瓷硬度高，莫氏硬度6.5?？梢灾瞥衫涑尚凸ぞ?、整形模、拉絲模、切削刀具等。ZrO2陶瓷強度高，韌性好，室溫抗壓強度達2100MPa，1000時為1190MPa。最好的韌化陶瓷抗彎強度達2000MPa，斷裂韌度達9MPam1/2。用來制造發(fā)動機構件，如推桿、連桿、軸承、氣缸內襯、活塞帽等。 ZrO2陶瓷的耐火度高，比熱和導熱系數(shù)小，是理想的高溫絕熱材料；化學穩(wěn)定性好，高溫時仍能抗酸性和中性物質的腐蝕。ZrO2坩鍋用于冶煉金屬及合金，如鉑、鈀、銣、銠的冶煉和提純。對鋼液很穩(wěn)定，是連續(xù)鑄錠用的耐火材料。 ZrO2陶瓷的電性能隨穩(wěn)定劑的種類、含量和測試溫度不同而變化。純ZrO2是良好的絕緣體，室溫比電阻高達1015m。加入穩(wěn)定劑后，其電阻率明顯增加。所以穩(wěn)定ZrO2陶瓷在高溫下是離子導電陶瓷。 穩(wěn)定后的ZrO2陶瓷有氧缺位，可作為氣敏元件。氧化鋯固體電解質在一定條件下，有傳遞氧離子的特性，可以制成高溫燃料電池固體電解質隔膜，鋼液氧的探測頭等。 此外利用氧化鋯相變特性，將氧化鋯加到一系列其它氧化物基體中如莫來石、氧化鋁、尖晶石等，可改善這些氧化物的韌性，如氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA），即含有氧化鋯的ZTA陶瓷，強度可高達1200MPa，韌性為16MPam2。 5 氧化鎂陶瓷（MgO） 氧化鎂屬立方晶系，MgO的熱膨脹系數(shù)大，有較高的蒸汽壓，熔點為2800，但在2300以上易揮發(fā)；高溫下的比體積電阻（35V/mm）大，具有良好的絕緣性。氧化鎂陶瓷是典型的堿性陶瓷。氧化鎂陶瓷使用溫度比氧化鋁陶瓷高，其使用溫度在氧化氣氛下高達2200，還原氣氛下高達1700，在真空中可以達到16001700。在空氣中，特別是在潮濕的空氣中，氧化鎂陶瓷極易水化成工業(yè)Mg(OH)2，氧化鎂陶瓷制造時應特別注意。 高純氧化鎂陶瓷對金屬和堿性溶液有很強的抗侵蝕能力，作為熔化高純鐵及合金以及鎳、釷、鈾、錫、鉛、鋅、銅、鈷及其合金等的坩鍋；作為盛裝熔融氧化鋁和鋁鹽的容器；用氧化鎂制造的熱電偶保護管用于測量2000以上的高溫。氧化鎂陶瓷還可以作高溫爐爐襯。 9.3.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷主要有碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。它們的熔點高，從2000幾乎到4000，硬度大，還有金屬的特性，如金屬光澤。有很高的高溫機械強度、熱震穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性。典型的非氧化物陶瓷有碳化硅、碳化鈦、氮化硅、氮化硼、硼化鋯和二硅化鉬等。 1 碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷是以SiC為主要成分的陶瓷。SiC通常以石英和碳為原料經(jīng)過高溫燒結而成。碳化硅陶瓷的特點是高溫強度大，其抗彎強度在1400時仍保持500600MPa。具有很好的熱傳導能力，201400時，其導熱系數(shù)為1620W/mK，僅次于氧化鈹陶瓷。它的抗氧化性是碳化物中最好的，碳化硅陶瓷還有良好的化學穩(wěn)定性、高的機械強度和抗熱震性能及高的耐磨性。 碳化硅陶瓷的主要用途是制造高溫強度比較高的結構零件：如火箭尾噴管的噴嘴，爐管等高溫材料；熱傳導能力比較強的零件：如高溫下工作的熱交換器零件，核燃料的包封材料等；耐磨耐蝕的零件：如泵的密封圈等；高溫下導電構件：如電熱元件等。 2 碳化鈦陶瓷 TiC屬面心立方晶體，熔點高，強度較高，導熱性較好，硬度大，化學穩(wěn)定性好，抗高溫氧化性僅次于碳化硅，且室溫下不與酸起反應，但溶于硝酸與氫氟酸的混合物，在1000的氮氣中能形成氮化物。 碳化鈦陶瓷的硬度大，是硬質合金生產的重要原料，具有良好的力學性能，作為耐磨材料、切削刀具材料、機械零件等，可制作熔煉錫、鉛、鎘等金屬的坩鍋。透明氧化鈦陶瓷還是良好的光學材料。 9.3.2 非氧化物陶瓷5 氮化硼陶瓷（BN） 氮化硼陶瓷分為低壓型和高壓型兩種。低壓型BN晶體是六方晶系，具有石墨結構，又稱“白石墨”，硬度低，具有自潤滑性，化學穩(wěn)定性好，能抵抗許多金屬熔體和玻璃體的侵蝕，可作為介電體和耐火潤滑劑。 氮化硼陶瓷的熱導性比BeO陶瓷低得多，但BN無毒性，具有良好的機加工性能，良好的高頻介電性能，較高溫度下仍相當穩(wěn)定，中性或還原性氣氛中的使用溫度達2800，熱導率隨溫度升高降低得相當緩慢，且有500600以上BN陶瓷的熱導率超過BeO陶瓷，居電絕緣陶瓷材料的首位，所以BN陶瓷是一種大力發(fā)展的高熱導率陶瓷材料，作為高溫散熱裝置瓷件具有明顯的優(yōu)點。除此之外，在電子工業(yè)用作雷達的傳遞窗；原子能工業(yè)中，用作核反應堆的結構材料；高溫金屬冶煉坩鍋、耐熱材料等。 立方晶體的氮化硼陶瓷是由六方晶體氮化硼經(jīng)高溫高壓處理后轉化而成的。 立方晶體的氮化硼陶瓷是耐高溫、超硬材料，莫氏硬度接近10，有的性能優(yōu)于人造金剛石，如表6.2.5所示。 表6.2.5 立方氮化硼陶瓷與人造金剛石性能比較 性 能 人造金剛石 立方氮化硼陶瓷 硬度（HR）/GPa 100 80100 熱穩(wěn)定性溫度/ 800 1400 與鐵族元素的化學惰性 小 大 9.3.2.6 二硅化鉬陶瓷（MoSi2） 二硅化鉬陶瓷是比較重要的硅化物陶瓷。呈灰色，有金屬光澤，熔點較高，達2030，有較高的導熱系數(shù)，高溫下具有優(yōu)良的抗氧化性能，適宜的電阻和小的比電阻溫度系數(shù)，能溶于硝酸與氫氟酸的混合液及熔融的堿中。 利用MoSi2良好的電性能和熱震性用作高溫發(fā)熱元件及高溫熱電偶；冶煉熔 融金屬鈉、鋰、鉛、鉍、錫等的坩鍋及原子反應堆裝置的熱交換器；利用其優(yōu)良的高溫抗氧化性，可以制造超高速飛機、火箭、導彈上的某些零部件。 金屬陶瓷是金屬或合金與一種或多種陶瓷組成的復合材料，其性能特點及要求見本書8.3。 9.4: 陶瓷材料產品制造9.4.1產品的技術要求 該產品主要用于加工硬質合金，要求磨具的硬度較軟為中軟級，材料的種類為綠碳化硅（SiC），粒度為F60，粘結劑為陶瓷結合劑。以平行砂輪2002023（mm）為例，產品形狀示意圖如圖9.4.1所示。 9.4: 陶瓷材料產品制造9.4.1產品的技術要求 陶瓷結合劑碳化硅磨具生產過程包括混合料制備、成形、燒成、產品的后加工及檢驗工序。 1 混合料的制備 制備工藝流程如圖9.4.2所示。 圖9.4.2 成形料的制備工藝流程1) 混料前混料設備及容器應清理干凈； 2) SiC粒狀料加入濕潤劑（糊精液）后混料時間在510分鐘，保證SiC粒狀料被均勻濕潤； 3) 加粘結劑后的混料時間為1520分鐘，保證混合料成分、粒度均勻一致； 4) 混合均勻的混合料用比SiC粒度粗34號的篩網(wǎng)過篩； 5) 混合均勻的混合料應悶料34h。 2 成形 成形工藝流程如圖9.4.3所示。圖9.4.3 成形工藝流程1) 成型時，根據(jù)制品的規(guī)格尺寸確定正確選擇和裝配模具，模具結構圖9.4.4所示。對選擇的模具進行清理、涂潤滑油，防止壓坯粘模； 2) 校準衡器，要求稱量誤差在0.5%以下； 3) 投料前啟動轉盤，并在模具底板上放置隔離材料； 4) 用料斗或料盆將混合料緩慢倒在芯棒上，再使料均勻流入模內； 5) 先用攪料叉把料叉松、攤均，再用刮板將料面刮平整； 6) 料刮平后，在料面上均勻撒一層同樣材質的干料，防止壓坯粘模； 7) 通過觀察表壓，或選擇適宜尺寸的壓環(huán)，將壓坯壓制到規(guī)定的高度； 8) 卸模，取出坯體。 9.4: 陶瓷材料產品制造9.4.2成形工藝 3 干燥 干燥曲線如表9.4.1所示。 表9.4.1 干燥曲線 累計時間（h） 1 2 3.5 4 5 10 到達溫度（） 60 80 80 100 140 140 升溫速度/ h） 40 20 0 40 40 0 4 燒成 燒成曲線如表9.4.1所示。表9.4.2 燒成曲線 溫度（） 時間（h） 累計時間（h） 室溫230 8 8 230480 10 18 480960 22 40 9601280 8 48 1280 7 55 1280960 2 57 960760 11 68 760400 16 84 40060 15 99 5 加工 1) 用鋼質套圈將制品固定在平面磨床上； 2) 加工制品第一面時，磨除量為總余量的1/32/5，再加工第二面到成品尺寸。加工時盡量把一些缺陷（凹坑、鐵斑等）加工掉； 3) 把制品孔清理干凈，用硫化水泥灌孔，灌孔層厚度為35mm； 4) 把制品固定在外圓磨床上，加工制品的外徑。 6 檢查 1) 根據(jù)國標GB/T 24851997，GB/T41271997，對制品的尺寸(外徑、孔徑及厚度)及外觀進行檢查； 2) 根據(jù)國標GB/T24921984規(guī)定的方法及要求，檢查制品的平衡性； 3) 根據(jù)國標GB/T24901984規(guī)定的方法，檢查制品的硬度； 4) 根據(jù)國標GB/T24931995規(guī)定的方法，檢查制品的回轉強度 9.5: 陶瓷材料的發(fā)展趨勢9.5.1納米陶瓷材料 “納米”(nm)是一個尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9 m。納米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。納米陶瓷是納米材料的一個分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。納米陶瓷除了保持陶瓷耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能外，還賦予陶瓷高的韌性，將徹底改變陶瓷為“易碎品”的形象。納米陶瓷具有高韌性與低溫超塑性行為。圖9.5.1為納米CaF2塑性變形示意圖。試驗中，將平展的方形樣品置于兩塊鋁箔之間，沿箭頭方向加壓力使上下閉合，結果發(fā)現(xiàn)，納米CaF2由于塑性變形導致樣品形狀發(fā)生正弦彎曲，并通過向右側的塑性流動而成為絲狀。納米陶瓷的室溫超塑性使陶瓷在保留其耐化學腐蝕、耐高溫高壓等優(yōu)良性能的前提下，有可能像其它材料一樣進行鍛造、擠壓、拉撥、彎曲等特種加工，不需磨削，直接制備精密尺寸的零件。 納米陶瓷的燒結性能極佳，其燒結溫度比普通陶瓷粉體的低幾百度。不少納米陶瓷已實現(xiàn)在1000以下致密化，而且有可能繼續(xù)降低。低溫燒結可以節(jié)省能源，有利于環(huán)境的凈化，還可以用于陶