陶瓷材料簡要介紹講課稿

1、陶瓷材料簡要介紹陶瓷材料簡要介紹1 1 陶瓷的基本相陶瓷的基本相1.1 晶相晶相 1.2 玻璃相玻璃相1.3 氣孔氣孔氣孔氣孔晶相晶相玻璃相玻璃相陶瓷基本相陶瓷基本相1.1 1.1 晶相晶相 主要組成相，一般由離子鍵（MgO和Al2O3）或共價鍵（SiC、Si3N4）結(jié)合而成，其種類、數(shù)量、晶粒大小等對陶瓷的性能起決定性作用。晶相種類及含量對陶瓷抗折強度的影響晶相種類及含量對陶瓷抗折強度的影響瓷質(zhì)長石質(zhì)瓷強化長石質(zhì)瓷剛玉瓷主晶相及含量莫來石2030%莫來石、剛玉4060%剛玉90%抗折強度/MPa80100500a.a.晶相種類及含量對陶瓷強度的影響：晶相種類及含量對陶瓷強度的影響：b.b.晶

2、粒大小對陶瓷強度的影響：晶粒大小對陶瓷強度的影響： 強度與晶粒尺寸的關(guān)系符合Hall-Petch關(guān)系式： b o kd-1/2 式中o為無限大單晶的強度，k為系數(shù)，d為晶粒直徑。從上式可以看出，細晶組織對提高材料的室溫強度有利細晶組織對提高材料的室溫強度有利無害。無害。晶粒直徑/um193.290.554.325.111.58.76.71.8抗折強度/Mpa75.2140.3 203.8 311.1 431.1 483.6 484.8581剛玉陶瓷剛玉陶瓷的晶粒尺寸與抗折強度的晶粒尺寸與抗折強度 如剛玉剛玉陶瓷的晶粒尺寸大小對其抗折強度的影響。1.2 1.2 玻璃相玻璃相非晶態(tài)固體，陶瓷燒結(jié)時

3、，各組成相與雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后，形成液相，冷卻凝固而成。玻璃相作用玻璃相作用粘粘 結(jié)結(jié) 晶晶 相相降低燒結(jié)溫度降低燒結(jié)溫度抑制晶粒長大抑制晶粒長大填填 充充 氣氣 孔孔缺點：缺點：熔點低，熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下開始軟化. 1.31.3 氣相：氣相：氣孔的影響：氣孔的影響： i：有害的影響：降低強度。 ii：有利的影響：保溫性增加，保溫陶瓷、化工過濾的多孔陶瓷。氣孔率可達到60%。高強度陶瓷的組織要求：高強度陶瓷的組織要求： 晶粒尺寸小，晶體缺陷少晶粒尺寸小，晶體缺陷少晶粒尺寸均勻，等軸晶粒尺寸均勻，等軸晶界相含量適中，減少脆性玻璃相晶界相含量適中，減少脆性玻璃相減少氣孔率減少氣孔率

4、高強度陶瓷高強度陶瓷 塊狀纖維晶須Al2O3280210021000不同截面大小陶瓷的強度值：不同截面大小陶瓷的強度值：MPa均勻的晶粒尺寸越小，缺陷產(chǎn)生的幾率越小, 強度越高。2 陶瓷的基本性能陶瓷的基本性能2.1 2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能2.2 2.2 物理及化學(xué)性能物理及化學(xué)性能2.1 2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能: :：硬度硬度 是各類材料中最高的。是各類材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在陶瓷具有高硬度，大多在1500HV以上以上。 （淬火鋼：500-800HV）, 陶瓷作為新型的刃具和耐磨零件。 ：剛度剛度 是各類材料中最高的。是各類材料中最高的。 ：強度強度 耐壓（抗壓強度高），抗彎

5、（抗彎強度高），不耐耐壓（抗壓強度高），抗彎（抗彎強度高），不耐拉（抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數(shù)量級）較高的高溫強拉（抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數(shù)量級）較高的高溫強度。度。 ：塑性塑性，在室溫幾乎沒有塑性。在室溫幾乎沒有塑性。 ：韌性韌性差，差，脆性脆性大。是陶瓷的最大缺點。大。是陶瓷的最大缺點。2.2 2.2 物理及化學(xué)性能：物理及化學(xué)性能：.熔點：熔點：具有高的熔點，多數(shù)在2000以上。.熱膨脹：熱膨脹：線膨脹系數(shù)一般為10-5到10-6，結(jié)構(gòu) 緊密，膨脹系數(shù)小。.抗熱震性：抗熱震性：在溫度急劇變化時抵抗破壞的能力； 陶瓷抗熱震性一般較差，受熱沖擊時易破壞。 .高的化學(xué)穩(wěn)定性：高的

6、化學(xué)穩(wěn)定性：抗氧化，1000高溫下不氧化；對酸、 堿、鹽有良好的抗蝕性。3 陶瓷力學(xué)性能的檢測方法陶瓷力學(xué)性能的檢測方法3.1 3.1 硬度硬度3.2 3.2 彎曲強度彎曲強度3.3 3.3 斷裂韌性斷裂韌性 3.1 硬度硬度 硬度是材料抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征。通常采用的是維氏硬度與莫氏硬度。材料Al2O3MgOZrO2BeOB4CSiCZrC硬度(HV)2000122017001520-495025502600材料TiCWC金剛石Si3N4CBNAlNMoSi2硬度(HV)32002400100001700700014501180 典型結(jié)構(gòu)陶瓷材料維氏硬度維氏硬度的測量維氏硬度的測

7、量 將一個相對夾角為136的正四棱錐金剛石壓頭在一定的負荷下壓入試樣表面，經(jīng)過一定時間的保持后卸載，測定壓痕兩對角線的長度并取其平均值（d）計算壓痕的實際面積，負荷和所測面積的比值就是維氏硬度，用HV表示。經(jīng)幾何換算后得到：20.1891 PHVdHV - 維氏硬度符號； P -試驗力，N； d- 壓痕兩對角線d1、d2的算術(shù)平均值，mm莫氏硬度表分級代表材料分級代表材料分級代表材料1滑石2石膏3方解石4螢石5磷灰石6正長石7石英玻璃8石英9黃玉10石榴石11熔融氧化鋁12剛玉13碳化硅14碳化硼15金剛石莫氏硬度莫氏硬度：是應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所是應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所測

8、測試試樣的表面而發(fā)生劃痕，其硬度值并非絕對硬度值，而是按硬樣的表面而發(fā)生劃痕，其硬度值并非絕對硬度值，而是按硬度的順序表示的值。度的順序表示的值。3.2 彎曲強度彎曲強度彎曲實驗一般分三點彎曲和四點彎曲兩種)(232MPahbLP式中為抗彎強度(MPa)，P為加載載荷(N)，L為支點跨距（mm)，b為試樣斷口處寬度(mm)，h為試樣斷口處高度(mm)。三點彎曲強度測試示意圖 應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料脆性斷裂的主要原因之一，而反映材料抵抗應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂的指標是斷裂韌性，常用的方法有單邊切口梁法、壓痕法、雙扭法和雙懸臂梁法。本節(jié)只簡要介紹壓痕法測定方法。3.3 斷裂韌性斷裂韌性 用維氏或顯微硬度壓頭

9、，壓入拋光的陶瓷試樣表面，在壓痕對角線延長方向出現(xiàn)四條裂紋，測定裂紋長度，根據(jù)載荷與裂紋長度的關(guān)系，求得KIc值。壓痕法壓痕法 PPC（左）和PPC（右）時壓痕（以PC作為可是壓痕產(chǎn)生裂紋的臨界負荷）壓痕法壓痕法caEHHaKIC4 . 8lg055. 05221KIC是斷裂韌性為一常數(shù)，約等于3HV是維氏硬度a為壓痕對角線長度的一半c為表面裂紋長度的一半4 常見陶瓷常見陶瓷4.1 普通陶瓷普通陶瓷4.2 特種陶瓷特種陶瓷 4.2.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 4.2.2 氮化物陶瓷氮化物陶瓷 4.2.3 碳化物陶瓷碳化物陶瓷 原材料原材料粘土（粘土（Al2O3 2SiO2 H2O）長石（長石（K

10、2O Al2O3 6SiO2；Na2O Al2O3 6SiO2）石英（石英（SiO2）4.1 普通陶瓷普通陶瓷堅硬，不氧化、不導(dǎo)電，成型性好堅硬，不氧化、不導(dǎo)電，成型性好耐耐1200高溫，成本低廉。高溫，成本低廉。強度低，高溫下玻璃相易軟化。強度低，高溫下玻璃相易軟化。性能性能化工陶瓷化工陶瓷日用陶瓷日用陶瓷電工陶瓷電工陶瓷用途用途建筑陶瓷建筑陶瓷 特種陶瓷，又稱精細陶瓷，采用純度較高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），經(jīng)配料、成型、燒結(jié)而制得。按其應(yīng)用功能分類，大體可分為高強度、耐高溫和復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷及電工電子功能陶瓷。4.2 特種陶瓷特種陶瓷 4.2.1 4

11、.2.1 氧化物陶瓷：氧化物陶瓷： 1）氧化鋁陶瓷）氧化鋁陶瓷 以以- Al2O3為主晶相，為主晶相，根據(jù)根據(jù)Al2O3含量和添含量和添加劑的不同，有不同系列。如根據(jù)加劑的不同，有不同系列。如根據(jù)Al2O3含量不同可分為含量不同可分為75瓷，瓷，85瓷，瓷，95瓷，瓷，99瓷等瓷等;根據(jù)其主晶相的不同可分為莫來石瓷、剛根據(jù)其主晶相的不同可分為莫來石瓷、剛玉玉-莫來瓷和剛玉瓷莫來瓷和剛玉瓷;根據(jù)添加劑的不同又分為鉻剛玉、鈦剛玉等。根據(jù)添加劑的不同又分為鉻剛玉、鈦剛玉等。牌號Al2O3（）相對密度硬度（莫氏）抗壓強度Mpa抗拉強度Mpa85瓷853.459180015096瓷963.7292000

12、18099瓷993.9092500250性能：性能：Al2O3含量越高，性能越好，氧化鋁陶瓷的性能應(yīng)用應(yīng)用化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性：A12O3陶瓷與大多數(shù)熔融金屬不發(fā)生反映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定溫度以上對其有還原作用;熱的硫酸能溶解A12O3，熱的HCl, HF對其也有一定腐蝕作用?？勺鳛槟退岜萌~輪、泵體、泵蓋、軸套，輸送酸的管道內(nèi)襯和閥門高硬度和耐磨性高硬度和耐磨性：在機械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如制造紡織耐磨零件、刀具。各種發(fā)動機中還大量使用A12O3陶瓷火花塞。電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗：氧化鋁的含量高于95%的Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介

13、質(zhì)損耗等特點，因而在電子、電器方面有十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 2 2）氧化鋯陶瓷）氧化鋯陶瓷 ZrO2有立方結(jié)構(gòu)(c相)、四方結(jié)構(gòu)(t相)及單斜結(jié)構(gòu)(m相)。根據(jù)所含相的成分不同，ZrO2陶瓷可分為穩(wěn)定ZrO2陶瓷材料、部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷。 穩(wěn)定穩(wěn)定ZrO2陶瓷陶瓷：主要由立方相組成主要由立方相組成p耐火度高、比熱與導(dǎo)熱系數(shù)小耐火度高、比熱與導(dǎo)熱系數(shù)?。菏抢硐氲母邷馗魺岵牧?，可以用做高溫爐內(nèi)襯，也可作為各種耐熱涂層。p化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫時仍能抗酸性和中性物質(zhì)的腐蝕，但不能抵抗堿性物質(zhì)的腐蝕。周期表中第V , VI ,VII族金屬元素與其不發(fā)生反應(yīng)，可以用來作為熔煉這此金屬的坩堝。p

14、強度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能非常高強度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能非常高：被稱為“陶瓷鋼”。同時其熱傳導(dǎo)系數(shù)小，隔熱效果好，而熱膨脹系數(shù)又比較大，比較容易與金屬部件匹配，在日前所研制的陶瓷發(fā)動機中用于氣缸內(nèi)壁、活塞、缸蓋板部件。部分部分穩(wěn)定穩(wěn)定ZrO2陶陶瓷瓷：由由四方和立方四方和立方雙相組織組成雙相組織組成足夠高的強度和耐磨性，又與光纖材料相似的線膨脹系數(shù)（5*10-6/），當環(huán)境溫度發(fā)生變化時候，氧化鋯陶瓷的收縮和膨脹和光纖基本相同，以保證光纖端面的緊密接觸，防止光信號的損失。 3）氧化鈹陶瓷）氧化鈹陶瓷 氧化鈹陶瓷最大的特點是高導(dǎo)熱率、高熔點（2530)、高強度、高絕緣性、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性、

15、高抗熱沖擊性，經(jīng)常用于制造坩堝和真空陶瓷等。 以以BeO陶瓷為基板的10cm*5cm高密度電路 按制造工藝分：熱壓燒結(jié)氮化硅熱壓燒結(jié)氮化硅（- Si3N4）陶瓷； 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（- Si3N4）陶瓷。 熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷組織致密，氣孔率接近于零，強度高。反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷有20%30%氣孔. 4.2.2 氮化物陶瓷氮化物陶瓷1）氮化硅陶瓷）氮化硅陶瓷燒結(jié)工藝優(yōu)點 缺點 反應(yīng)燒結(jié) 燒結(jié)時幾乎沒有收縮，能得到復(fù)雜的形狀 密度低，強度低，耐蝕性差 熱壓燒結(jié) 用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好 只能制造簡單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強度降低 熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅性能對比熱壓燒結(jié)和反

16、應(yīng)燒結(jié)氮化硅性能對比特點：特點：（1）硬度高：）硬度高：氮化硅的硬度高，HV=18GPa21GPa，僅次于金剛石、立方BN、B4C等少數(shù)幾種超硬材料。（2）摩擦因子小：）摩擦因子?。褐挥?.10.2，具有自潤滑性；（3）化學(xué)穩(wěn)定性好：）化學(xué)穩(wěn)定性好：抗氫氟酸以外的各種無機酸和 堿溶液的侵蝕，也能抵抗熔融非 鐵金屬的侵蝕；（4）較高的室溫抗彎強度和斷裂韌性）較高的室溫抗彎強度和斷裂韌性:室溫抗彎強度通常在800-1050MPa，斷裂韌性為6-7MPam1/2 Si3N4軸承應(yīng)用：應(yīng)用：熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要

17、求高的零件，如機械密封環(huán)等。汽輪機轉(zhuǎn)子葉片、氣閥2） 氮化鋁氮化鋁AlN陶瓷陶瓷 密度3.26g/cm3，無熔點，在無熔點，在2200- 2250升華分解，熱升華分解，熱硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。莫氏硬度79，強度200300MPa。最大的特點是導(dǎo)熱率高，可達200W/m.K以上，是 A12O3的的2-3倍，熱壓時強度比倍，熱壓時強度比Al2O3還高還高，與單晶硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，以及高電阻率，是理想的基片材料。問題：難燒結(jié)，問題：難燒結(jié)， 成本高成本高(氣氛保護等等氣氛保護等等) 包括：碳化硅、碳化鈰、碳化鉬、碳化鈮、碳化鈦、 碳化鎢、碳化鉭、碳化釩、碳化鋯、碳化鉿等。特點特點具有很高的熔點（3000以上以上） 高硬度高硬度（硬度B4C的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼）耐高溫氧化能力差，脆性極大 4.2.3 碳化物陶瓷碳化物陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷在碳化物陶