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1、第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料CeramicsCeramics自然界中的材料品種繁多自然界中的材料品種繁多,并且各具特色并且各具特色,人們通常將材料分為人們通常將材料分為: 金屬材料 無機非金屬材料(以陶瓷材料為主) 高分子材料什么是陶瓷材料什么是陶瓷材料? 陶瓷材料是指由化合物粉末經(jīng)過成型、高溫?zé)Y(jié)而成的塊體材料。第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 陶瓷中化合物的離子鍵及共價鍵表8.1 部分陶瓷化合物的離子鍵與共價鍵的比例陶瓷化合物 原子 負(fù)電性差 離子鍵% 共價鍵% MgO Mg-O 2.3 73 27 Al2O3 Al-O 2.0 63 37 SiO2 Si O 1.7 51 49 Si3N4
2、 Si N 1.2 30 70 SiC Si - C 0.7 11 89第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)二 離子晶體的結(jié)構(gòu)在離子晶體中, 離子的堆垛方式主要決定于兩方面的因素 離子間尺寸差的大小; 配位數(shù)的大小,即離子晶體要保持其電中性電中性所需的負(fù)離子數(shù).陽離子陰離子第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)臨界半徑比臨界半徑比: : 陽離子與陰離子剛好接觸時,陽離子半徑與陰離子半徑比.第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)三 CsCl的晶體結(jié)構(gòu)(CsBr, TlCl, TlBr)圖8.3 CsCl的晶體結(jié)構(gòu)(a)離子的坐標(biāo)位置示意圖及(b)原子模型。晶體中8個Cl-離子圍繞一個Cs+離子即配位數(shù)為8,而在這個單胞中只有一個
3、Cl-離子和一個Cs+離子 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)四 NaCl的晶體結(jié)構(gòu) (MgO,CaO,NiO,FeO)圖8.4 (a) NaCl晶體中Na+離子(半徑=0.102nm)和Cl-離子(半徑=0.181nm)的位置,(b) 6個Cl-離子包圍1個Na+離子形成一個八面體第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)五 ZnS的晶體結(jié)構(gòu)圖8.8 ZnS晶體結(jié)構(gòu)很多半導(dǎo)體化合物如:CaS, InAs, InSb ZnSe都具有ZnS的晶體結(jié)構(gòu)第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)六 CaF2的晶體結(jié)構(gòu)圖8.9 CaF2的晶體結(jié)構(gòu) 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)七 剛玉(Al2O3)的晶體結(jié)構(gòu)圖8.9 Al2O3的晶體結(jié)構(gòu) 第1
4、節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)八 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)圖8.9 鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 第2節(jié) 陶瓷材料中的晶格缺陷一 點缺陷第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 點缺陷 ( Frankel & Schottky 缺陷)圖8.9 CaF2的晶體結(jié)構(gòu) 第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 點缺陷第1節(jié) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)一 點缺陷圖8.9 CaF2的晶體結(jié)構(gòu) 第3節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程陶瓷的生產(chǎn)過程陶瓷的生產(chǎn)過程粉末 混料 成型 脫成型劑 燒結(jié) +陶瓷的成形1、干壓法、干壓法常用粘接劑:常用粘接劑: PVA(聚乙烯醇)、MC(甲基纖維素)、石蠟 PEG(聚乙烯乙二醇)、PEO(聚乙烯氧化物)、 將原料粉末加入粘接劑、潤滑劑后均勻混合
5、,再在金屬模具中加壓成型。常用潤滑劑:常用潤滑劑: 硬酯酸、聚乙烯甘醇、滑石、淀粉陶瓷的成型2、等靜壓成型、等靜壓成型 將原料粉末加入粘接劑、潤滑劑后均勻混合,再在金屬模具中加壓成型。陶瓷的成型3、澆注成型、澆注成型 澆注成型是使粉末分散于溶劑中,注入具有吸水率的石膏模型中,使之在模型內(nèi)固化而成為一定厚度的坯體的成形方法。陶瓷的成型4、流延成型、流延成型 流延成形是將粉末與有機粘接劑、增塑劑、懸浮劑、溶劑等均勻混合,然后在流延機上通過刮刀將其制成具有一定厚度的片狀陶瓷的方法。目前已經(jīng)成為電子電路用基片、疊層電容器等的主要方法。陶瓷的成型5、擠壓成型、擠壓成型 用真空煉泥機將粉料、粘接劑、潤滑劑
6、、與溶劑等均勻混合,混合除氣后經(jīng)由模具將料擠出,制成所需形狀。此法可成形薄片、器皿和蜂窩結(jié)構(gòu)以及發(fā)熱元件等。陶瓷的成型6、注射成型、注射成型 將陶瓷粉末與有機粘接劑混合均勻后,在一定壓力條件下,將具有一定流動性的混合料注射到金屬模具中,得到所需的形狀。第3節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程陶瓷的生產(chǎn)過程陶瓷的生產(chǎn)過程粉末 混料 成型 脫成型劑 燒結(jié) 各類陶瓷制品典型結(jié)構(gòu)陶瓷成型方法用途成型方法用途澆注成型擠壓成型模壓成型等靜壓成型絲軌、研缽、拉絲機部件爐芯管、電阻管、蜂窩體開關(guān)電阻部件、滑動部件火花塞、透光管、噴咀薄膜成型注射成型熱壓成型集成電路基片、封裝火花塞、絲軌、噴燒咀切削刀鋸氧化物陶瓷氧化物陶瓷
7、氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的精細(xì)陶瓷,其中氧氧化鋁(化鋁(Al2O3)是應(yīng)用最廣泛的一種,而氧化鋯(氧化鋯(ZrO2)則是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷中強度和斷裂韌性最高的一種。氧化鋁陶瓷的成型方法和用途典型結(jié)構(gòu)陶瓷1、氧化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷典型結(jié)構(gòu)陶瓷2、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷典型結(jié)構(gòu)陶瓷2、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷典型結(jié)構(gòu)陶瓷2、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷典型結(jié)構(gòu)陶瓷1、氧化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷典型結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷泵陶瓷泵典型結(jié)構(gòu)陶瓷2、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷 氧化鋯陶瓷熔點高、高溫蒸汽壓低、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低的特點,這些性能均優(yōu)于氧化率陶瓷但是其價格昂貴。ZrO2陶瓷的用途1)刀具類:可作陶瓷剪刀和特殊用途的
8、醫(yī)用、工業(yè)用刀具,它不銹、無磁性、與生物親和;2)滑動部件:利用其耐磨性、與金屬不親和性、可作拔絲模、拉管模、絲軌、軸承、噴咀、泵部件、粉碎機部件等3)隔熱材料:ZrO2的熱導(dǎo)率只有Al2O3的1/10,ZrO2纖維、氈、板等是最好的高溫隔熱材料。典型結(jié)構(gòu)陶瓷2、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷陶瓷手表光纖插針典型結(jié)構(gòu)陶瓷2、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷陶瓷托槽典型結(jié)構(gòu)陶瓷3、碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷陶瓷托槽陶瓷托槽電熱塞、刀具、軸承等導(dǎo)電陶瓷1、PTC熱敏陶瓷熱敏陶瓷1)PTC效應(yīng)溫度,T電阻106105104103102導(dǎo)電陶瓷1、固體電介質(zhì)陶瓷(快離子導(dǎo)體)、固體電介質(zhì)陶瓷(快離子導(dǎo)體)1)PTC效應(yīng)氧分
9、壓,P電壓106105104103102q 氧傳感器的基本原理氧傳感器的基本原理能斯特原理(Walther Nernst, 1889)RT4FPPO2O2O2E = ln mVO2PPO2O2ZrO2導(dǎo)電陶瓷超導(dǎo)體陶瓷1、超導(dǎo)陶瓷的基本性質(zhì)、超導(dǎo)陶瓷的基本性質(zhì) 超導(dǎo)材料是在某一溫度下發(fā)生從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變,這一特定的溫度稱為臨界溫度。 當(dāng)溫度低于臨界溫度時,超導(dǎo)材料的電阻變得很小,幾乎測不到。壓電陶瓷1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng) 當(dāng)一個機械力作用于某些晶體上時,在晶體表面的兩電極上會出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷,電荷多少與力的大小成正比,當(dāng)機械力拆去后,電荷會消失,這種現(xiàn)象稱為正壓電現(xiàn)象;當(dāng)一塊壓電晶體置
10、于一個外電場時,晶體會發(fā)生變形,且形變大小與電場成正比,若拆除電場,則晶體恢復(fù)原狀,這一現(xiàn)象叫做逆壓電現(xiàn)象。 1)PZT陶瓷(鈦酸鉛陶瓷)2021-11-2as40壓電陶瓷壓電陶瓷二二 壓電效應(yīng)模型壓電效應(yīng)模型FxFxxyz-+FyFyxyz-+FyFyxyz-+縱向效應(yīng)橫向效應(yīng)切向效應(yīng)生物醫(yī)學(xué)陶瓷1、羥基磷灰石陶瓷、羥基磷灰石陶瓷 羥基磷灰石陶瓷與人體的骨頭、牙齒化學(xué)組成相似,可以制造人造骨關(guān)節(jié) 2、磷酸三鈣,、磷酸三鈣,TCP生物醫(yī)學(xué)陶瓷2、磷酸三鈣,、磷酸三鈣,TCP 治療牙周炎引起的牙槽骨缺損治療牙周炎引起的牙槽骨缺損 應(yīng)用于骨頭修復(fù)應(yīng)用于骨頭修復(fù) 用于種植牙用于種植牙缺損可注射牙槽骨
11、修復(fù)材料可注射牙槽骨修復(fù)材料典型結(jié)構(gòu)陶瓷3、碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷電熱塞、刀具、軸承等第3節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程 陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)晶體相晶體相: 陶瓷材料的主體陶瓷材料的主體, Al2O3, ZrO2玻璃相玻璃相: 通常是陶瓷的連接相通常是陶瓷的連接相, MgO氣相氣相: 一般是殘留物一般是殘留物, 它也是影響陶瓷材料性它也是影響陶瓷材料性能的因素能的因素第3節(jié) 陶瓷的生產(chǎn)工藝過程 陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)第4節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能 陶瓷材料相對來說是比較脆的,而且其力學(xué)性能變化范圍較大一一 陶瓷材料的變形機制陶瓷材料的變形機制 NaCl晶體中兩個不同滑移系示意
12、圖晶體中兩個不同滑移系示意圖第4節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能二 影響陶瓷材料強度的因素1.空隙: 陶瓷中空隙是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方2.裂紋: 也是影響陶瓷強度的一個重要因素3.溫度與環(huán)境: 溫度與環(huán)境也是影響陶瓷材料的因素第4節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能二 陶瓷空隙度對材料性能的影響第4節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能三 陶瓷材料的增韌途徑 相變增韌:利用ZrO2增韌陶瓷,是通過四方相ZrO2(t- ZrO2)轉(zhuǎn)變成單斜相ZrO2(m- ZrO2)時,即馬氏體相變來實現(xiàn)的.t-ZrO2 m- ZrO2 這一相變過程伴隨著35%的體積變化如: YSZ陶瓷, ZTA陶瓷第4節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能 相變增韌第4節(jié) 陶瓷材料
13、的力學(xué)性能 微裂紋增韌部分穩(wěn)定陶瓷在由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變時, 由于體積膨脹而導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋, 而這些微裂紋并非是集中在某一定的方向,而是非常細(xì)小分布在不同的方向,這樣的微裂紋就可起到吸收能量的作用,使陶瓷增韌.第5節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能ZrO2含量的影響0200400600800100005101520ZrO2, Vol%抗彎強度,MNm-20102030405060708090100沖擊韌性,Jm-2抗彎強度沖擊韌性第5節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能012345678900.51ZrO2含量, Vol%斷裂韌性,MNm3/2四方相立方相第5節(jié) 陶瓷材料的力學(xué)性能ZrO2含量的影響0200400600800100005101520ZrO2, Vol%抗彎強度,MNm
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