第九章--新型無機(jī)非金屬材料學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第九章第九章-新型新型(xnxng)無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料第一頁，共73頁。氧化物陶瓷氧化物陶瓷(toc)：Al2O3、SiO2、ZrO2、BaTiO3、ZrSiO4碳化物陶瓷：碳化物陶瓷：SiC、WC、B4C、TiC，氮化物陶瓷：氮化物陶瓷：Si3N4、AlN、BN、TiN,硼化物陶瓷：硼化物陶瓷：ZrB2、TiB2按性能按性能和用途和用途結(jié)構(gòu)陶瓷：結(jié)構(gòu)零部件，主要使用其力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性結(jié)構(gòu)陶瓷：結(jié)構(gòu)零部件，主要使用其力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性能，如耐磨、耐高溫、抗氧化。能，如耐磨、耐高溫、抗氧化。功能陶瓷：功能器件，主要使用物理性能，如壓電陶瓷、磁功能陶瓷：功能器件，主要使用物理性

2、能，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、發(fā)光材料。性陶瓷、發(fā)光材料。生物陶瓷：人工骨、齒，生物相容性。生物陶瓷：人工骨、齒，生物相容性。包括：氧化物、氮化物、碳化物、金屬陶瓷包括：氧化物、氮化物、碳化物、金屬陶瓷第1頁/共73頁第二頁，共73頁。Al2O3陶瓷陶瓷(toc)的顯微結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu) 1結(jié)晶相結(jié)晶相 2玻璃相玻璃相 3氣相氣相 第2頁/共73頁第三頁，共73頁。第3頁/共73頁第四頁，共73頁。 EamVkTE100 第4頁/共73頁第五頁，共73頁。第5頁/共73頁第六頁，共73頁。第6頁/共73頁第七頁，共73頁。第7頁/共73頁第八頁，共73頁。氣孔率對(duì)氣孔率對(duì)Al2O3陶瓷陶瓷(toc)彈

3、性模量的彈性模量的影響影響第8頁/共73頁第九頁，共73頁。一些一些(yxi)陶瓷材料在室溫下的泊松陶瓷材料在室溫下的泊松比比第9頁/共73頁第十頁，共73頁。一些一些(yxi)常用陶瓷材料的硬度常用陶瓷材料的硬度值值第10頁/共73頁第十一頁，共73頁。陶瓷的維氏硬度與彈性模量陶瓷的維氏硬度與彈性模量(tn xn m lin)的關(guān)系的關(guān)系第11頁/共73頁第十二頁，共73頁。第12頁/共73頁第十三頁，共73頁。第13頁/共73頁第十四頁，共73頁。第14頁/共73頁第十五頁，共73頁。第15頁/共73頁第十六頁，共73頁。陶瓷陶瓷(toc)的斷裂應(yīng)力與溫度的依賴關(guān)系示意圖的斷裂應(yīng)力與溫度的

4、依賴關(guān)系示意圖第16頁/共73頁第十七頁，共73頁。溫度對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度溫度對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度(qingd)的影響的影響第17頁/共73頁第十八頁，共73頁。第18頁/共73頁第十九頁，共73頁。第19頁/共73頁第二十頁，共73頁。第20頁/共73頁第二十一頁，共73頁。立方立方(lfng)相（相（c） 正方相（正方相（t） 單斜相（單斜相（m） 第21頁/共73頁第二十二頁，共73頁。第22頁/共73頁第二十三頁，共73頁。發(fā)相變；發(fā)相變；ddiddmddm，相變時(shí)誘發(fā)了顯微，相變時(shí)誘發(fā)了顯微(xin (xin wi)wi)裂紋。裂紋。dcddmdcddm：不足以誘發(fā)顯微：不足以誘發(fā)顯微(xin

5、 (xin wi)wi)裂紋，但裂紋，但m m相周圍有殘余應(yīng)力。相周圍有殘余應(yīng)力。這種顯微這種顯微(xin wi)(xin wi)裂紋與殘余裂紋與殘余應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生韌化作用。應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生韌化作用。 didcdm didcdm第23頁/共73頁第二十四頁，共73頁。 122. 01)(22. 0211WVEeRWVEeKfTfTCTE，彈性模量及泊松比，彈性模量及泊松比，Vf粒粒子體積百分?jǐn)?shù)，子體積百分?jǐn)?shù)，eT無約束相變應(yīng)變，無約束相變應(yīng)變，W過程區(qū)寬度的一半。過程區(qū)寬度的一半。在某應(yīng)力水平下：在某應(yīng)力水平下：無相變基體中裂紋可以擴(kuò)展無相變基體中裂紋可以擴(kuò)展(kuzhn)有相變韌化的基體中裂紋停止

6、擴(kuò)展有相變韌化的基體中裂紋停止擴(kuò)展(kuzhn)，須增加應(yīng)力水平才能使其繼，須增加應(yīng)力水平才能使其繼續(xù)擴(kuò)展續(xù)擴(kuò)展(kuzhn)。裂紋擴(kuò)展入轉(zhuǎn)變裂紋擴(kuò)展入轉(zhuǎn)變(zhunbin)區(qū)受到殘余壓應(yīng)力作用區(qū)受到殘余壓應(yīng)力作用第24頁/共73頁第二十五頁，共73頁。相變?cè)鲰g機(jī)理相變?cè)鲰g機(jī)理(j l)示意示意圖圖第25頁/共73頁第二十六頁，共73頁。第26頁/共73頁第二十七頁，共73頁。第27頁/共73頁第二十八頁，共73頁。ZrO2ZrO2含量含量(hnling)(hnling)及粒徑對(duì)及粒徑對(duì)Al2O3+ZrO2Al2O3+ZrO2陶瓷韌性的影響陶瓷韌性的影響第28頁/共73頁第二十九頁，共73頁。

7、t+m雙相并有顯微裂紋組織雙相并有顯微裂紋組織(zzh)的韌性為的韌性為KIC(t+m)=KICO+KICT+KICM+KICS不同尺寸不同尺寸(ch cun)晶粒的韌化機(jī)理晶粒的韌化機(jī)理第29頁/共73頁第三十頁，共73頁。Y-PSZ的斷裂韌性與的斷裂韌性與xY2O3的關(guān)系的關(guān)系(gun x)第30頁/共73頁第三十一頁，共73頁。熱壓熱壓Al2O3 - ZrO2(2Y)陶瓷陶瓷(toc)的力學(xué)性能的力學(xué)性能第31頁/共73頁第三十二頁，共73頁。ZrO2+Al2O3 陶瓷中陶瓷中ZrO2粒子粒子(lz)誘發(fā)微裂紋誘發(fā)微裂紋及主裂紋遇及主裂紋遇ZrO2粒子粒子(lz)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向第32頁/共73

8、頁第三十三頁，共73頁。ZrO2增韌莫來石及增韌莫來石及Si3N4復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)的性能的性能第33頁/共73頁第三十四頁，共73頁。機(jī)理：機(jī)理：纖維拔出機(jī)理：纖維拔出機(jī)理：纖維阻礙纖維阻礙(z i)裂紋擴(kuò)裂紋擴(kuò)展，須增大應(yīng)力使纖展，須增大應(yīng)力使纖維拔出直至纖維斷裂維拔出直至纖維斷裂而使韌性提高。而使韌性提高。第34頁/共73頁第三十五頁，共73頁。Cf/Si3N4復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)斷口側(cè)面形貌斷口側(cè)面形貌第35頁/共73頁第三十六頁，共73頁。第36頁/共73頁第三十七頁，共73頁。C纖維增韌玻璃纖維增韌玻璃(b l)陶瓷復(fù)合材料中的纖維分布陶瓷

9、復(fù)合材料中的纖維分布C纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)Pyrex玻璃中纖維的定向排布玻璃中纖維的定向排布第37頁/共73頁第三十八頁，共73頁。C纖維纖維(xinwi)含量對(duì)含量對(duì)C纖維纖維(xinwi)增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料斷裂功的影響增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料斷裂功的影響第38頁/共73頁第三十九頁，共73頁。ZrO2(Y2O3)+SiC復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)的力學(xué)性能的力學(xué)性能第39頁/共73頁第四十頁，共73頁。Al2O3+SiC復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)的力的力學(xué)性能學(xué)性能第40頁/共73頁第四十一頁，共73頁。晶須拔出橋連及裂紋晶須拔出橋連及裂紋(li wn)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向的S

10、EM照片照片第41頁/共73頁第四十二頁，共73頁。與分叉。與分叉。SiC顆粒顆粒(kl)含量對(duì)含量對(duì)SiCP/Si3N4復(fù)合材料性能的影響復(fù)合材料性能的影響第42頁/共73頁第四十三頁，共73頁。SiCW與與ZrO2復(fù)合復(fù)合(fh)增韌增韌Al2O3的強(qiáng)度與斷裂韌性的強(qiáng)度與斷裂韌性(a)、(b)： Al2O3+ZrO220%(Y2O3)+SiCw(c)、(d) ：Al2O3 +SiCw + ZrO2(Y2O3)第43頁/共73頁第四十四頁，共73頁。SiCW增韌莫來石及增韌莫來石及Si3N4復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)的強(qiáng)度與韌性的強(qiáng)度與韌性第44頁/共73頁第四十五頁，共73頁

11、。氧化物氧化物熔點(diǎn)熔點(diǎn)/密度密度/ 103kgm-3抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量彈性模量/103 MPa抗氧抗氧化性化性熱穩(wěn)熱穩(wěn)定性定性抗磨蝕抗磨蝕能力能力Al2O320503.982552943375中等中等 高高高高M(jìn)gO28003.58981373210中等中等低低中等中等ZrO227155.701472060169中等中等低低高高BeO25703.0098785304中等中等高高中等中等ThO230509.69981472137中等中等低低高高常見氧化物陶瓷常見氧化物陶瓷(toc)的性能的性能 原子結(jié)合：以離子鍵為主，存在部分共價(jià)鍵。原子結(jié)合：以離子鍵為主，

12、存在部分共價(jià)鍵。熔點(diǎn)大多熔點(diǎn)大多(ddu)在在2000以上，燒成溫度在以上，燒成溫度在1800左右。左右。 強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，但是強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，但是1000以下一直保持較高的強(qiáng)度以下一直保持較高的強(qiáng)度 。 第45頁/共73頁第四十六頁，共73頁。第46頁/共73頁第四十七頁，共73頁。-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 第47頁/共73頁第四十八頁，共73頁。第48頁/共73頁第四十九頁，共73頁。第49頁/共73頁第五十頁，共73頁。增韌添加劑。增韌添加劑。第50頁/共73頁第五十一頁，共73頁。第51頁/共73頁第五十二頁，共73頁。第52頁/共73頁第五十三頁，共73頁。第

13、53頁/共73頁第五十四頁，共73頁。-SiC和和-SiC的晶體的晶體(jngt)結(jié)結(jié) 第54頁/共73頁第五十五頁，共73頁。第55頁/共73頁第五十六頁，共73頁。第56頁/共73頁第五十七頁，共73頁。由于由于B、C原子在原子在20面體及其面體及其之間的原子鏈內(nèi)的相互取代之間的原子鏈內(nèi)的相互取代(qdi)，使得碳化硼的含碳量可以在一個(gè)范，使得碳化硼的含碳量可以在一個(gè)范圍（圍（8.8220wt%）內(nèi)變化。）內(nèi)變化。碳化硼的晶體結(jié)構(gòu)碳化硼的晶體結(jié)構(gòu) 第57頁/共73頁第五十八頁，共73頁。第58頁/共73頁第五十九頁，共73頁。第59頁/共73頁第六十頁，共73頁。第60頁/共73頁第六十一頁，共73頁。第61頁/共73頁第六十二頁，共73頁。a Si-N4四面體結(jié)構(gòu)四面體結(jié)構(gòu)(jigu) b -Si3N4的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)(jigu) 第62頁/共73頁第六十三頁，共73頁。第63頁