第七章工程陶瓷

1、第七章工程陶瓷新型陶瓷按化學成分主要分為兩類：新型陶瓷按化學成分主要分為兩類： 一類是純氧化物陶瓷，一類是純氧化物陶瓷， 如如Al2O3Al2O3、ZrO2ZrO2、MgOMgO、CaOCaO、BeOBeO、ThO2ThO2等；等； 另一類是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼另一類是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等?；?、氮化物和硅化物等。 按照其性能與特征又可分為：按照其性能與特征又可分為： 高溫陶瓷、超硬質陶瓷、高韌陶瓷、半導高溫陶瓷、超硬質陶瓷、高韌陶瓷、半導體陶瓷。電解質陶瓷、磁性陶瓷、導電性陶瓷體陶瓷。電解質陶瓷、磁性陶瓷、導電性陶瓷等。等。 在工程結構上使用的陶瓷稱為工

2、程陶瓷，在工程結構上使用的陶瓷稱為工程陶瓷，它主要在高溫下使用，也稱高溫結構陶瓷。這它主要在高溫下使用，也稱高溫結構陶瓷。這類陶瓷具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、類陶瓷具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點，是空間技術、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點，是空間技術、軍事技術、原子能、工業(yè)及化工設備等領域中軍事技術、原子能、工業(yè)及化工設備等領域中的重要材料。的重要材料。 工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究最多，認為最有發(fā)展前途的是氯化硅、碳化硅最多，認為最有發(fā)展前途的是氯化硅、碳化硅和增韌氧化物三類材料。和增韌氧化物三類材料。 工程

3、陶瓷主要性能指標工程陶瓷主要性能指標: : 陶瓷工作表面耐磨性是錳鋼的陶瓷工作表面耐磨性是錳鋼的100100倍以上，高鉻鑄倍以上，高鉻鑄鐵的鐵的2020倍以上；比耐磨橡膠高幾倍至幾十倍以上。陶倍以上；比耐磨橡膠高幾倍至幾十倍以上。陶瓷金屬結合強度達到瓷金屬結合強度達到300kg/300kg/2 2使用溫度可達使用溫度可達500500。 使用耐磨陶瓷制造的設備，使用壽命可提高五倍使用耐磨陶瓷制造的設備，使用壽命可提高五倍以上，性能價格比可提高以上，性能價格比可提高3 3倍以上。倍以上。耐磨陶瓷性能特點：耐磨陶瓷性能特點： 1. 1. 硬度大，一般硬度大于硬度大，一般硬度大于HRA80HRA80以

4、上，最高可達以上，最高可達到到9292以上；以上； 2. 2. 耐磨性能極好：是普通碳鋼的至少耐磨性能極好：是普通碳鋼的至少200200以上，以上，高鉻鑄鐵的高鉻鑄鐵的1010倍以上，倍以上， 3. 3. 重量輕：氧化鋁比重一般只有重量輕：氧化鋁比重一般只有3.63.6左右，碳化左右，碳化硅為硅為2.72.7左右，氧化鋯為左右，氧化鋯為6 6左右左右 4. 4. 耐熱性能好：不同耐磨陶瓷的耐熱性不盡相同，耐熱性能好：不同耐磨陶瓷的耐熱性不盡相同，但用于耐顆粒沖刷場合，耐熱性沒有任何問題。但用于耐顆粒沖刷場合，耐熱性沒有任何問題。 常用結構陶瓷常用結構陶瓷 1 1、氮化硅陶瓷、氮化硅陶瓷 氮化硅

5、陶瓷是近氮化硅陶瓷是近2020多年來發(fā)展起來的新型工程陶瓷，多年來發(fā)展起來的新型工程陶瓷，與一般硅酸鹽陶瓷不同之處在于氮化硅的結合屬于共價鍵與一般硅酸鹽陶瓷不同之處在于氮化硅的結合屬于共價鍵性質的結合，因而有結合力強、絕緣性好的特點。用熱壓性質的結合，因而有結合力強、絕緣性好的特點。用熱壓工藝可制得接近理論密度的高致密的氮化硅陶瓷，其彎曲工藝可制得接近理論密度的高致密的氮化硅陶瓷，其彎曲強度即使在強度即使在14001400左右的高溫下仍可達左右的高溫下仍可達500500600MPa600MPa，而，而經添加劑經過優(yōu)化后的氮化硅陶瓷經添加劑經過優(yōu)化后的氮化硅陶瓷14001400下仍然可以維持下仍

6、然可以維持接近接近1000MPa1000MPa的強度。通過復相增韌的氮化硅基復合材料，的強度。通過復相增韌的氮化硅基復合材料，其斷裂韌性可以達到其斷裂韌性可以達到2OllMPam1/22OllMPam1/2。以。以Y2O3Y2O3La03La03為添加為添加劑的自韌氮化硅，其室溫和劑的自韌氮化硅，其室溫和13501350的斷裂韌性可分別達到的斷裂韌性可分別達到4-1213 MPam1/24-1213 MPam1/2和和2224MPam1/22224MPam1/2。 目前反應燒結和氣壓燒結的氮化硅材料目前反應燒結和氣壓燒結的氮化硅材料已經批量生產，在刀具、發(fā)動機零部件、密已經批量生產，在刀具、發(fā)

7、動機零部件、密封環(huán)等領域廣泛應用封環(huán)等領域廣泛應用; ;熱壓制成的氮化硅基陶熱壓制成的氮化硅基陶瓷刀具在切削冷硬鑄鐵時切削壽命可以達到瓷刀具在切削冷硬鑄鐵時切削壽命可以達到硬質合金硬質合金YG8YG8的的3030倍。日本生產的汽車發(fā)動機倍。日本生產的汽車發(fā)動機陶瓷挺柱已經投入市場，日本還計劃用陶瓷挺柱已經投入市場，日本還計劃用5 5年時年時間研究采用新型陶瓷材料制造飛機發(fā)動機零間研究采用新型陶瓷材料制造飛機發(fā)動機零部件部件( (包括渦輪葉片、燃燒器壁等各種零部包括渦輪葉片、燃燒器壁等各種零部件件) )，預計這種飛機發(fā)動機的能源利用率將比，預計這種飛機發(fā)動機的能源利用率將比普通飛機發(fā)動機高大約普

8、通飛機發(fā)動機高大約30%30%。 2 2 、碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷是一種具有優(yōu)良的高溫力學性能碳化硅陶瓷是一種具有優(yōu)良的高溫力學性能的新型結構陶瓷材料，具有熱膨脹系數小、比的新型結構陶瓷材料，具有熱膨脹系數小、比重輕重輕( (只有重金屬的三分之一只有重金屬的三分之一) )、導熱系數大等、導熱系數大等特性，熱等靜壓碳化硅陶瓷試樣的彎曲強度可特性，熱等靜壓碳化硅陶瓷試樣的彎曲強度可以達到以達到1000 MPa ,1000 MPa ,斷裂韌性可達斷裂韌性可達814MPam1/2814MPam1/2。含含A1203A1203的無壓燒結碳化硅陶瓷的彎曲強度可達的無壓燒結碳化硅陶瓷的彎曲強度可

9、達707MPa707MPa，斷裂韌性可達，斷裂韌性可達1017 MPa m1/21017 MPa m1/2。 SiC SiC陶瓷的高溫蠕變速率小。在高溫長時陶瓷的高溫蠕變速率小。在高溫長時間使用中，間使用中，SiCSiC陶瓷很穩(wěn)定，抗氧化性好，強陶瓷很穩(wěn)定，抗氧化性好，強度較少受環(huán)境度較少受環(huán)境( (例如氧化例如氧化) )的影響。的影響。SiCSiC的耐急的耐急冷急熱性好，且具有優(yōu)良的高溫抗腐蝕性。因冷急熱性好，且具有優(yōu)良的高溫抗腐蝕性。因而，碳化硅常用于制備航天器燃燒室、火箭噴而，碳化硅常用于制備航天器燃燒室、火箭噴嘴及軸承、滾珠、機械密封等處。嘴及軸承、滾珠、機械密封等處。 3 3、碳化硼

10、陶瓷、碳化硼陶瓷 碳化硼陶瓷具有高硬度、高熔點和低密碳化硼陶瓷具有高硬度、高熔點和低密度，良好的物理性能和優(yōu)越的抗化學侵蝕能度，良好的物理性能和優(yōu)越的抗化學侵蝕能力的特點，是優(yōu)異的結構陶瓷，在民用、宇力的特點，是優(yōu)異的結構陶瓷，在民用、宇航和軍事等領域都得到了重要應用。但碳化航和軍事等領域都得到了重要應用。但碳化硼陶瓷有兩個致命的弱點硼陶瓷有兩個致命的弱點: :碳化硼陶瓷的碳化硼陶瓷的斷裂韌性很低斷裂韌性很低; ;原子間以牢固的共價鍵連原子間以牢固的共價鍵連接，共價鍵含量高達接，共價鍵含量高達93.9%93.9%，因而，獲得高，因而，獲得高密度的燒結體非常困難。密度的燒結體非常困難。碳化硼陶瓷

11、增韌法碳化硼陶瓷增韌法 原位自生增韌法和前驅體熱解法是近年發(fā)展起來原位自生增韌法和前驅體熱解法是近年發(fā)展起來的制備陶瓷材料的新工藝，具有燒成溫度低、雜質少、的制備陶瓷材料的新工藝，具有燒成溫度低、雜質少、產物性能優(yōu)異等優(yōu)點。以聚碳硅烷為代表的熱解納米產物性能優(yōu)異等優(yōu)點。以聚碳硅烷為代表的熱解納米顆粒增韌工藝，在大粒徑顆粒增韌工藝，在大粒徑B4CB4C間形成固溶體，并形成晶間形成固溶體，并形成晶內納米結構，從而加速了材料燒結時的溶解內納米結構，從而加速了材料燒結時的溶解- -沉積過程，沉積過程，促進了材料的致密化，同時也改善了促進了材料的致密化，同時也改善了B4CB4C陶瓷的晶界結陶瓷的晶界結構

12、，起到納米釘扎的作用，無論是從組織均勻性還是構，起到納米釘扎的作用，無論是從組織均勻性還是致密化方面都有較大優(yōu)勢，是一種很有前途的工藝方致密化方面都有較大優(yōu)勢，是一種很有前途的工藝方法，是碳化硼材料致密化和韌化的發(fā)展新方向。法，是碳化硼材料致密化和韌化的發(fā)展新方向。 44 、氧化鋯相變增韌陶瓷、氧化鋯相變增韌陶瓷 熱壓熱壓3Y-Zr023Y-Zr02在室溫下具有最高的強度和斷裂韌在室溫下具有最高的強度和斷裂韌性，強度達到性，強度達到1570 MPa1570 MPa，斷裂韌性，斷裂韌性1513 MPam1/2,1513 MPam1/2,但但在高溫下由于相變作用的消失，性能急劇下降，在高溫下由于相

13、變作用的消失，性能急劇下降，600600強度降到強度降到480MPa,1000480MPa,1000降到降到212MPa212MPa。經過強化和增韌，。經過強化和增韌，雖然對室溫性能有所損害，但高溫性能卻可以顯著提雖然對室溫性能有所損害，但高溫性能卻可以顯著提高。斷裂韌性高。斷裂韌性711MPam1/2,1000711MPam1/2,1000仍能保持仍能保持610MPa610MPa的的強度。被增韌的基質材料，除了穩(wěn)定的氧化鋯以外，強度。被增韌的基質材料，除了穩(wěn)定的氧化鋯以外，常見的有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物常見的有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷，還有氮化硅和碳化硅等非

14、氧化物陶瓷。國內目陶瓷，還有氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。國內目前的氧化鋯結構陶瓷企業(yè)，有前的氧化鋯結構陶瓷企業(yè)，有70%70%是由氧化鋁陶瓷行業(yè)是由氧化鋁陶瓷行業(yè)轉化而來的。轉化而來的。 國內市場的部分穩(wěn)定氧化鋯的應用正處于起國內市場的部分穩(wěn)定氧化鋯的應用正處于起步發(fā)展階段，主要為步發(fā)展階段，主要為: :光纖接插件及套管、氧化鋯光纖接插件及套管、氧化鋯磨介、刀具、紡織及煙草機械承板等。其中磨介磨介、刀具、紡織及煙草機械承板等。其中磨介占據一半以上的份額，以適應對耐磨性和機械強占據一半以上的份額，以適應對耐磨性和機械強度提出更高要求的工作條件。出現的氧化鋯增韌度提出更高要求的工作條件。出現的氧

15、化鋯增韌氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷( (簡稱簡稱ZTA)ZTA)材料，主要是在氧化鋁母相材料，主要是在氧化鋁母相基質中引入一定量的相變材料氧化鋯所形成的一基質中引入一定量的相變材料氧化鋯所形成的一種復相精細陶瓷材料。這種復相陶瓷材料既顯現種復相精細陶瓷材料。這種復相陶瓷材料既顯現出氧化鋯陶瓷高韌性和高強度的特性，又保留了出氧化鋯陶瓷高韌性和高強度的特性，又保留了氧化鋁陶瓷高硬度的優(yōu)點，而且隨著這種綜合力氧化鋁陶瓷高硬度的優(yōu)點，而且隨著這種綜合力學性能的提高，其耐磨性也得到了較大的改善。學性能的提高，其耐磨性也得到了較大的改善。 5 5、氧化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷由于強度高、耐高溫、絕緣性好、

16、氧化鋁陶瓷由于強度高、耐高溫、絕緣性好、耐腐蝕，并且具有良好的機電性能，廣泛應用于電耐腐蝕，并且具有良好的機電性能，廣泛應用于電子、機械、化工工業(yè)。如利用其機械強度較高，絕子、機械、化工工業(yè)。如利用其機械強度較高，絕緣電阻較大的性能，可以用作真空器件、電路基板緣電阻較大的性能，可以用作真空器件、電路基板等等; ;利用其耐高溫性，可以用作坩堝、鈉光燈管等利用其耐高溫性，可以用作坩堝、鈉光燈管等; ;利用其穩(wěn)定的化學性能，可以用作生物陶瓷、催化利用其穩(wěn)定的化學性能，可以用作生物陶瓷、催化載體等。載體等。6 6 、新型層狀陶瓷、新型層狀陶瓷Ti3SiC2Ti3SiC2 Ti3SiC2 Ti3SiC2

17、是是Ti-Si-CTi-Si-C系統(tǒng)中的唯一三元化合物，系統(tǒng)中的唯一三元化合物，屬六方晶系，硅原子層被屬六方晶系，硅原子層被TiCTiC八面體連接而構成層狀八面體連接而構成層狀結構，顯微結構為納米層片狀，正是這種獨特的結結構，顯微結構為納米層片狀，正是這種獨特的結構賦予它不同于構賦予它不同于Ti-Si-CTi-Si-C三元系中其它二元化合物的三元系中其它二元化合物的性質，使得性質，使得Ti3SiC2Ti3SiC2兼有金屬和陶瓷的很多優(yōu)點，似兼有金屬和陶瓷的很多優(yōu)點，似金屬一樣是良好的電和熱的導體，可切削，柔軟，金屬一樣是良好的電和熱的導體，可切削，柔軟，對熱沖擊不敏感，高溫表現為塑性對熱沖擊不

18、敏感，高溫表現為塑性; ;又似陶瓷具有抗又似陶瓷具有抗氧化、耐腐蝕、耐高溫氧化、耐腐蝕、耐高溫( (熔點超過熔點超過3000) ,3000) ,其高溫其高溫強度超過所有的高溫合金。強度超過所有的高溫合金。 這些兼?zhèn)浣饘俸吞沾傻膬?yōu)良性能以及耐高溫和自這些兼?zhèn)浣饘俸吞沾傻膬?yōu)良性能以及耐高溫和自潤滑特性，具有高的熱導率和電導率，易加工，同時潤滑特性，具有高的熱導率和電導率，易加工，同時具有良好的抗熱震性、抗氧化性和高溫穩(wěn)定性，在高具有良好的抗熱震性、抗氧化性和高溫穩(wěn)定性，在高溫結構陶瓷、電極材料、可加工陶瓷材料、自潤滑材溫結構陶瓷、電極材料、可加工陶瓷材料、自潤滑材料等領域的應用有著很好的前景：料等

19、領域的應用有著很好的前景： (1)Ti3SiC2(1)Ti3SiC2具有與石墨類似的層狀結構和自潤滑性，具有與石墨類似的層狀結構和自潤滑性，而導電性和硬度都優(yōu)于石墨，抗氧化性也更好，所以而導電性和硬度都優(yōu)于石墨，抗氧化性也更好，所以在高溫下或其他氧化環(huán)境下需要潤滑的場合，如用作在高溫下或其他氧化環(huán)境下需要潤滑的場合，如用作軸承材料，它的潛力將遠遠大于石墨軸承材料，它的潛力將遠遠大于石墨;(2);(2)良好的抗熱良好的抗熱震性和抗氧化性，高溫下高的屈服點和塑性，使得震性和抗氧化性，高溫下高的屈服點和塑性，使得Ti3SiC2Ti3SiC2在高溫結構方面的應用更具有優(yōu)勢，如渦輪在高溫結構方面的應用更

20、具有優(yōu)勢，如渦輪機葉片和定子，以及陶瓷發(fā)動機等機葉片和定子，以及陶瓷發(fā)動機等;(3);(3)由于好的可加由于好的可加工性和高溫下的高強度，它還是目前使用的可加工陶工性和高溫下的高強度，它還是目前使用的可加工陶瓷瓷MacorTMMacorTM的很好的替代品的很好的替代品;(4);(4)好的導電性和抗熱震好的導電性和抗熱震性使它在熔融金屬的電極材料的應用方面也有很大的性使它在熔融金屬的電極材料的應用方面也有很大的潛力潛力。 7 7、納米復相陶瓷、納米復相陶瓷 晶內納米相的形成有利于材料性能的提高，無論是晶內納米相的形成有利于材料性能的提高，無論是從組織均勻性還是致密度方面都有較大優(yōu)勢從組織均勻性還

21、是致密度方面都有較大優(yōu)勢. .復相陶瓷中復相陶瓷中納米相所起的主要韌化作用為納米相所起的主要韌化作用為: :納米顆粒與基質形成共納米顆粒與基質形成共格關系，結合牢固，抑制晶粒成長和異常晶粒的長大格關系，結合牢固，抑制晶粒成長和異常晶粒的長大; ;晶粒內產生亞晶界，使基體再細化而產生增強作用晶粒內產生亞晶界，使基體再細化而產生增強作用; ;納納米粒子周圍基質形成拉應力導致穿晶斷裂并使穿晶裂紋米粒子周圍基質形成拉應力導致穿晶斷裂并使穿晶裂紋二次偏轉，殘余應力的產生使晶粒內破壞成為主要形二次偏轉，殘余應力的產生使晶粒內破壞成為主要形式式; ;晶內納米粒子使基體顆粒內部形成次界面，并同晶晶內納米粒子使

22、基體顆粒內部形成次界面，并同晶界納米相一樣具有釘扎位錯的作用。新原皓一等就將納界納米相一樣具有釘扎位錯的作用。新原皓一等就將納米級陶瓷顆粒作為彌散相引入微米級陶瓷基體中制得納米級陶瓷顆粒作為彌散相引入微米級陶瓷基體中制得納米復合陶瓷，取得了很好的增強增韌效果。米復合陶瓷，取得了很好的增強增韌效果。 碳化物復合陶瓷碳化物復合陶瓷微波超高溫燒結碳化硼陶瓷裝甲材料微波超高溫燒結碳化硼陶瓷裝甲材料 高致密的碳化硅高致密的碳化硅/ /碳化硼復合陶瓷，其彎曲碳化硼復合陶瓷，其彎曲強度即使在強度即使在14001400C C左右的高溫下仍可達左右的高溫下仍可達500500600MPa600MPa。該公司采用微

23、波增強反應滲透工藝生。該公司采用微波增強反應滲透工藝生產的碳化硅產的碳化硅/ /碳化硼復合特種陶瓷材料具有比重碳化硼復合特種陶瓷材料具有比重小、高硬度、高模量、耐沖擊的特點，應用于小、高硬度、高模量、耐沖擊的特點，應用于新一代的陶瓷裝甲。新一代的陶瓷裝甲。 耐高溫、高強度、高韌性陶瓷耐高溫、高強度、高韌性陶瓷 氧化鋯增韌陶瓷已在結構陶瓷研究中取得了重大進氧化鋯增韌陶瓷已在結構陶瓷研究中取得了重大進展，經過增韌的基質材料，除了穩(wěn)定的氧化鋯以外，展，經過增韌的基質材料，除了穩(wěn)定的氧化鋯以外，常見的有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物常見的有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷。該公司利用

24、微波高溫設備可以更低成本大批量陶瓷。該公司利用微波高溫設備可以更低成本大批量生產各種氧化物特種結構陶瓷生產各種氧化物特種結構陶瓷。耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷 現代電光源的構成對材料的耐高溫、耐腐蝕性及現代電光源的構成對材料的耐高溫、耐腐蝕性及透光性有很高的要求，該公司利用微波燒結生產的氧透光性有很高的要求，該公司利用微波燒結生產的氧化鋁、氮化鋁透明陶瓷材料總體透光性能和機械性能化鋁、氮化鋁透明陶瓷材料總體透光性能和機械性能超過傳統(tǒng)方法生產的產品。應用于各種高溫光學窗口、超過傳統(tǒng)方法生產的產品。應用于各種高溫光學窗口、探頭、燈管探頭、燈管。 工程工程陶瓷的應用陶瓷的應用 在

25、空間技術領域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和在空間技術領域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和溫度急變、強度高、重量輕且長壽的結構材料和防護材溫度急變、強度高、重量輕且長壽的結構材料和防護材料，在這方面，結構陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙料，在這方面，結構陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船即開始使用高溫與低溫的隔熱瓦，碳飛船即開始使用高溫與低溫的隔熱瓦，碳- -石英復合燒蝕石英復合燒蝕材料已成功地應用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。未來空材料已成功地應用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。未來空間技術的發(fā)展將更加依賴于新型結構材料的應用，在這間技術的發(fā)展將更加依賴于新型結構材料的應用，在這方面結構陶瓷尤其是陶瓷基復合

26、材料和碳方面結構陶瓷尤其是陶瓷基復合材料和碳/ /碳復合材料遠碳復合材料遠遠優(yōu)于其他材料。遠優(yōu)于其他材料。 高新技術的應用是現代戰(zhàn)爭制勝的法寶。在軍事工高新技術的應用是現代戰(zhàn)爭制勝的法寶。在軍事工業(yè)的發(fā)展方面，高性能結構陶瓷占有舉足輕重的作用。業(yè)的發(fā)展方面，高性能結構陶瓷占有舉足輕重的作用。例如先進的亞音速飛機，其成敗就取決于具有高韌性和例如先進的亞音速飛機，其成敗就取決于具有高韌性和高可靠性的結構陶瓷和纖維補強的陶瓷基復合材料的應高可靠性的結構陶瓷和纖維補強的陶瓷基復合材料的應用用。 光通信產業(yè)是當前世界上發(fā)展最為迅速的高技術光通信產業(yè)是當前世界上發(fā)展最為迅速的高技術產業(yè)之一。其所以發(fā)展如此迅速主要依賴于光纖損耗產業(yè)之一。其所以發(fā)展如此迅速主要依賴于光纖損耗機理的研究以及光纖接頭結