材料化學(xué)導(dǎo)論第6章_新型結(jié)構(gòu)材料

1、第六章第六章 新型結(jié)構(gòu)材料新型結(jié)構(gòu)材料6.1 6.1 高溫結(jié)構(gòu)材料高溫結(jié)構(gòu)材料6.1.1 6.1.1 超耐熱合金超耐熱合金提高火力發(fā)電的熱效率，核心在于提高作為其動(dòng)力源的提高火力發(fā)電的熱效率，核心在于提高作為其動(dòng)力源的蒸汽的溫度和壓力。要提高氣輪機(jī)的輸出和效率，都得提蒸汽的溫度和壓力。要提高氣輪機(jī)的輸出和效率，都得提高其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，有的材料還要求能在高溫下連續(xù)工作幾萬高其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，有的材料還要求能在高溫下連續(xù)工作幾萬小時(shí)以上，等等，這些都需要超耐熱合金。小時(shí)以上，等等，這些都需要超耐熱合金。 1 超耐熱合金根據(jù)其用途和工作條件的不同，對高溫材料的要超耐熱合金根據(jù)其用途和工作條件的不同，對高溫材料

2、的要求主要有：求主要有： （1 1）在高溫下要有優(yōu)良的抗腐蝕性；）在高溫下要有優(yōu)良的抗腐蝕性； （2 2）在高溫下要有較高的強(qiáng)度和韌性。）在高溫下要有較高的強(qiáng)度和韌性。 耐熱合金：耐熱合金：V VVII VII 副族元素和第副族元素和第VIIIVIII族元素形成的合金。族元素形成的合金。 因?yàn)榈谝驗(yàn)榈赩 V副族、副族、VIVI副族、副族、VIIVII副族元素是副族元素是高熔點(diǎn)金屬高熔點(diǎn)金屬。因?yàn)槠?。因?yàn)槠湓又形闯蓪Φ膬r(jià)電子數(shù)很多，在金屬晶體中形成了堅(jiān)強(qiáng)的原子中未成對的價(jià)電子數(shù)很多，在金屬晶體中形成了堅(jiān)強(qiáng)的化學(xué)鍵，而且其原子半徑較小，晶格結(jié)點(diǎn)上粒子間的距離短，化學(xué)鍵，而且其原子半徑較小，晶格結(jié)

3、點(diǎn)上粒子間的距離短，相互作用力大，所以其熔點(diǎn)高、硬度大。相互作用力大，所以其熔點(diǎn)高、硬度大。 2 金屬在高溫下氧化的初始階段是一種純粹的化金屬在高溫下氧化的初始階段是一種純粹的化學(xué)反應(yīng)過程，隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展，便成學(xué)反應(yīng)過程，隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展，便成為一種復(fù)雜的熱化學(xué)過程了。為一種復(fù)雜的熱化學(xué)過程了。 與前面學(xué)過的尖晶石的形成過程類似，在金屬表與前面學(xué)過的尖晶石的形成過程類似，在金屬表面形成氧化物后，能否繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展，取決于面形成氧化物后，能否繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展，取決于氧原子穿過表面氧化膜的擴(kuò)散速度，而此速度取氧原子穿過表面氧化膜的擴(kuò)散速度，而此速度取決于溫度和表面氧化膜的結(jié)構(gòu)。決于

4、溫度和表面氧化膜的結(jié)構(gòu)。3通常鐵能與氧形成通常鐵能與氧形成FeO，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e2O3等一系列氧化物。等一系列氧化物。 570以下，鐵表面形成的是構(gòu)造復(fù)雜的以下，鐵表面形成的是構(gòu)造復(fù)雜的Fe3O4，F(xiàn)e2O3氧化氧化膜，氧原子難以擴(kuò)散，這種氧化膜起著減緩進(jìn)一步氧化、保膜，氧原子難以擴(kuò)散，這種氧化膜起著減緩進(jìn)一步氧化、保護(hù)內(nèi)部的作用，但溫度高于護(hù)內(nèi)部的作用，但溫度高于570，氧化物中除了，氧化物中除了Fe3O4，F(xiàn)e2O3氧化膜外，還增加了氧化膜外，還增加了FeO成分，而成分，而FeO晶格結(jié)構(gòu)很疏松，晶格結(jié)構(gòu)很疏松，所以為了阻止進(jìn)一步的氧化，所以為了阻止進(jìn)一步的氧化，必須設(shè)法阻止必須設(shè)法阻止F

5、eO的形成的形成。金屬的氧化過程：鐵的氧金屬的氧化過程：鐵的氧4 改進(jìn)的方法改進(jìn)的方法: 在鋼中加入對氧的在鋼中加入對氧的親和力大于鐵親和力大于鐵的的Cr，Si，Al等，可等，可優(yōu)先形成穩(wěn)定、致密的優(yōu)先形成穩(wěn)定、致密的Cr2O3、Al2O3、SiO2等氧化物保護(hù)等氧化物保護(hù)膜，從而可以提高鋼的耐熱性。膜，從而可以提高鋼的耐熱性。 超耐熱合金的發(fā)展過程：超耐熱合金的發(fā)展過程： 50年代前后，鈷基合金（較高的耐用溫度）年代前后，鈷基合金（較高的耐用溫度）50年代年代后期，鎳基合金（合金體為穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)）后期，鎳基合金（合金體為穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)）高溫高溫合金中鎳含量越來越高，可以合金中鎳含量

6、越來越高，可以提高使用溫度、延長高溫下提高使用溫度、延長高溫下的使用時(shí)間、并減輕質(zhì)量。的使用時(shí)間、并減輕質(zhì)量。5鐵鎳基高溫合金：鐵鎳基高溫合金：含鎳含鎳25%-60%25%-60%及含鐵的高溫合金。及含鐵的高溫合金。 由于鐵基、鈷基、鎳基合金的使用溫度不可能超過由于鐵基、鈷基、鎳基合金的使用溫度不可能超過1050-11001050-1100，而難熔金屬鎢、鉬、鈮、鉭有更高的，而難熔金屬鎢、鉬、鈮、鉭有更高的熔點(diǎn)，其合金可在高于熔點(diǎn)，其合金可在高于11001100的溫度下使用。的溫度下使用。6 鎢、鉬、鈮、鉭這組金屬的合金可以作為高溫結(jié)構(gòu)鎢、鉬、鈮、鉭這組金屬的合金可以作為高溫結(jié)構(gòu)材料，還可作為

7、高溫發(fā)熱體、真空管材料、電子工材料，還可作為高溫發(fā)熱體、真空管材料、電子工業(yè)材料、硬質(zhì)工具、耐磨材料、防震材料。業(yè)材料、硬質(zhì)工具、耐磨材料、防震材料。 80 80年代發(fā)現(xiàn)的碳化鉭，熔點(diǎn)可高達(dá)年代發(fā)現(xiàn)的碳化鉭，熔點(diǎn)可高達(dá)41504150，可望成，可望成為新一代耐熱金屬陶瓷材料。為新一代耐熱金屬陶瓷材料。用途：用途：76.1.2 6.1.2 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，原子能、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，原子能、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)等技術(shù)領(lǐng)域的要求，迫使人們?nèi)ふ冶鹊燃夹g(shù)領(lǐng)域的要求，迫使人們?nèi)ふ冶饶蜔岷辖鹉蜔岷辖鸶艹惺芨邷馗艹惺芨邷兀绕胀ㄌ沾筛?，比普通陶瓷更能抵御化學(xué)腐

8、蝕的抵御化學(xué)腐蝕的材料材料。于是一系列的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷便應(yīng)運(yùn)而生。于是一系列的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷便應(yīng)運(yùn)而生。8高溫結(jié)構(gòu)陶瓷與金屬材料的性能比較高溫結(jié)構(gòu)陶瓷與金屬材料的性能比較 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷性性 能能 用用 途途 熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高 坩堝、高溫爐管坩堝、高溫爐管 硬度大硬度大 剛玉球磨機(jī)剛玉球磨機(jī) 透明、耐高溫透明、耐高溫 高壓鈉燈燈管高壓鈉燈燈管 耐高溫、耐腐蝕、硬度大、耐磨損、不怕氧化。耐高溫、耐腐蝕、硬度大、耐磨損、不怕氧化。 易受腐蝕、不耐氧化、不適合高溫時(shí)使用易受腐蝕、不耐氧化、不適合高溫時(shí)使用 高純氧化鋁透明陶瓷管高純氧化鋁透明陶瓷管氧化鋁陶瓷制品氧化鋁陶瓷制品（1）氧化物陶瓷）氧化物陶瓷

9、9（2) 2)非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 碳化硅：碳化硅： 高溫強(qiáng)度大（高溫強(qiáng)度大（1400 5001400 500600MPa600MPa）；）； 高溫結(jié)構(gòu)件（爐管、火箭尾管噴嘴）。高溫結(jié)構(gòu)件（爐管、火箭尾管噴嘴）。 氮化硅：氮化硅： 高化學(xué)穩(wěn)定性；高化學(xué)穩(wěn)定性； 耐蝕、耐磨材料（賽隆刀具）。耐蝕、耐磨材料（賽隆刀具）。 氮化硼：氮化硼： 耐熱、絕緣性好；耐熱、絕緣性好； 高溫結(jié)構(gòu)元件及刀具等。高溫結(jié)構(gòu)元件及刀具等。10氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅基陶瓷具有密度小、高強(qiáng)、高硬、高韌性、氮化硅基陶瓷具有密度小、高強(qiáng)、高硬、高韌性、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震、自潤滑、隔熱、耐磨損、耐腐蝕、抗氧

10、化、抗熱震、自潤滑、隔熱、電絕緣等一系列優(yōu)良性能。電絕緣等一系列優(yōu)良性能。 氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、 制造發(fā)動(dòng)機(jī)部位的受熱面，提高柴油機(jī)的質(zhì)制造發(fā)動(dòng)機(jī)部位的受熱面，提高柴油機(jī)的質(zhì)量，節(jié)省燃料（不用水冷卻，減少熱散失）。量，節(jié)省燃料（不用水冷卻，減少熱散失）。Si Si3 3N N4 4基陶瓷球軸承基陶瓷球軸承氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷沙漠車沙漠車氮化硅陶瓷部件氮化硅陶瓷部件11碳化硅軸承球碳化硅軸承球碳化硅發(fā)熱板碳化硅發(fā)熱板碳化硅砂輪片碳化硅砂輪片碳化硅發(fā)熱棒碳化硅發(fā)熱棒12（3 3）金屬陶瓷）金屬陶瓷 取金屬及陶瓷優(yōu)點(diǎn)復(fù)合而成取金屬及陶瓷優(yōu)點(diǎn)復(fù)合而成 構(gòu)

11、成方式：構(gòu)成方式： 陶瓷相陶瓷相( (氧化物、碳化物氧化物、碳化物) )為主體、骨架；為主體、骨架； 金屬相金屬相(Co(Co、NiNi等等) )起粘結(jié)作用。起粘結(jié)作用。 材料類型：材料類型： 工具材料工具材料( (陶瓷為主陶瓷為主) )；結(jié)構(gòu)材料；結(jié)構(gòu)材料( (金屬相數(shù)量增加金屬相數(shù)量增加) )。氧化物基金屬陶瓷氧化物基金屬陶瓷 AlAl2 2O O3 3+Cr( 10+Cr( 10) ) 性能：性能：韌性較好韌性較好(Cr(Cr的存在的存在) )，熱穩(wěn)定性及抗氧化性好，熱穩(wěn)定性及抗氧化性好(Cr(Cr2 2O O3 3) )。 應(yīng)用：應(yīng)用：工具材料，熱硬性工具材料，熱硬性12001200、

12、硬材料加工、硬材料加工 ( (65HRC)65HRC)、高速切削；模具等。、高速切削；模具等。13 碳化物基金屬陶瓷碳化物基金屬陶瓷 組成：組成：碳化物（碳化物（ WCWC、TiCTiC等）等）+ + 鐵族元素（鐵族元素（CoCo、NiNi）。）。 特性：特性：碳化物的高硬度、高溫強(qiáng)度碳化物的高硬度、高溫強(qiáng)度+ +金屬的塑金屬的塑 性、韌性性、韌性工具材料及耐熱結(jié)構(gòu)材料。工具材料及耐熱結(jié)構(gòu)材料。 硬質(zhì)合金：硬質(zhì)合金：刀具、模具（拉絲模等）；鎢鈷類刀具、模具（拉絲模等）；鎢鈷類 YG(WC+Co)YG(WC+Co)、鎢鈷鈦、鎢鈷鈦YT(WCYT(WC、TiC+Co)TiC+Co) 及萬能類及萬能

13、類YWYW（WCWC、TiCTiC、TaC+Co) TaC+Co) 。 銅結(jié)硬質(zhì)合金：銅結(jié)硬質(zhì)合金：（30%30%50%50%碳化物合金鋼粘結(jié)）碳化物合金鋼粘結(jié)）, ,可熱處理，可熱處理，可加工。韌性可加工。韌性, ,bbbb。用。用 作模具、耐磨零件。作模具、耐磨零件。表表6-36-3141516高溫結(jié)構(gòu)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別： 傳統(tǒng)的陶瓷以粘土和石粉為原料，用水拌和，成傳統(tǒng)的陶瓷以粘土和石粉為原料，用水拌和，成型干燥后燒制而成的。傳統(tǒng)陶瓷的最高耐溫為型干燥后燒制而成的。傳統(tǒng)陶瓷的最高耐溫為13001300，并且易碎；，并且易碎； 工業(yè)用陶瓷在原料和制法上都不同于

14、傳統(tǒng)的陶瓷，工業(yè)用陶瓷在原料和制法上都不同于傳統(tǒng)的陶瓷，它先把碳化硅、氮化硅等磨成顆粒大小相同的細(xì)它先把碳化硅、氮化硅等磨成顆粒大小相同的細(xì)粉末，與燒結(jié)助劑混合或直接高壓成型后，最后粉末，與燒結(jié)助劑混合或直接高壓成型后，最后在在1500-20001500-2000高溫下燒制而成。高溫下燒制而成。 17 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的優(yōu)點(diǎn)：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的優(yōu)點(diǎn)： 遠(yuǎn)比金屬遠(yuǎn)比金屬堅(jiān)硬堅(jiān)硬幾十倍，幾十倍，耐高溫耐高溫，即使在，即使在15001500下其強(qiáng)度下其強(qiáng)度一點(diǎn)也不會(huì)改變，同時(shí)還具有一點(diǎn)也不會(huì)改變，同時(shí)還具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐蠕變性優(yōu)良的耐腐蝕性、耐蠕變性和耐機(jī)械及熱沖擊性和耐機(jī)械及熱沖擊性。 最有希望的高溫

15、結(jié)構(gòu)陶瓷材料：最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料： 氮化硅（氮化硅（Si Si3 3N N4 4）是最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，）是最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，5050年年代開始用氮化硅做燒結(jié)助劑制備。代開始用氮化硅做燒結(jié)助劑制備。18 氮化硅陶瓷，其耐熱沖擊性高，曾成功地用以制造氮化硅陶瓷，其耐熱沖擊性高，曾成功地用以制造溫度超過溫度超過15001500、氧化情況不太嚴(yán)重的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、氧化情況不太嚴(yán)重的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)尾噴管及燃燒室。機(jī)尾噴管及燃燒室。氮化硅的特點(diǎn)：氮化硅的特點(diǎn)： 兩種組成元素的電負(fù)性相近，屬強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，所兩種組成元素的電負(fù)性相近，屬強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，所以其硬度高、熔點(diǎn)高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、絕緣性

16、能好。耐以其硬度高、熔點(diǎn)高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、絕緣性能好。耐腐蝕、耐磨損、彈性模量大、高強(qiáng)度、耐高溫、熱腐蝕、耐磨損、彈性模量大、高強(qiáng)度、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、密度低，抗氧化。膨脹系數(shù)小、密度低，抗氧化。 具有具有“輕如鋁、強(qiáng)如鋼、硬若金剛石輕如鋁、強(qiáng)如鋼、硬若金剛石”等優(yōu)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)19 因?yàn)榈杈哂袕?qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，使組成元素的因?yàn)榈杈哂袕?qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，使組成元素的移動(dòng)幾乎不能發(fā)生，所以具有優(yōu)良的高溫機(jī)械性移動(dòng)幾乎不能發(fā)生，所以具有優(yōu)良的高溫機(jī)械性質(zhì)。但是這種性質(zhì)卻不利于粉末燒結(jié)，而使其成質(zhì)。但是這種性質(zhì)卻不利于粉末燒結(jié)，而使其成為難燒結(jié)性物質(zhì)的代表。為難燒結(jié)性物質(zhì)的代表。 最近上海硅酸鹽研究所研

17、制的一種高溫性能優(yōu)異最近上海硅酸鹽研究所研制的一種高溫性能優(yōu)異的氮化硅陶瓷材料，成功地實(shí)現(xiàn)了材料強(qiáng)度從室的氮化硅陶瓷材料，成功地實(shí)現(xiàn)了材料強(qiáng)度從室溫到溫到13001300保持不降目標(biāo)，在國際上屬于領(lǐng)先地保持不降目標(biāo)，在國際上屬于領(lǐng)先地位，有望做為高溫結(jié)構(gòu)材料。位，有望做為高溫結(jié)構(gòu)材料。 20氮化硅粉的合成方法（主要有氮化硅粉的合成方法（主要有4種）：種）：3Si+2N21300Si3N4 1. 硅氮結(jié)合法硅氮結(jié)合法2. 還原氮化法還原氮化法3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO213SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl1400硅烷與氨或聯(lián)氨發(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)硅烷與氨或聯(lián)氨發(fā)生化學(xué)氣相反

18、應(yīng)SiH4+NH3 Si3N4+12H2硅烷在含鹵素的氮?dú)夥罩邪l(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)硅烷在含鹵素的氮?dú)夥罩邪l(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)SiH4+2N2+6Cl2Si3N4+12HCl3. 3. 化學(xué)氣相法化學(xué)氣相法 硅的鹵化物或氫化物與氨發(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)硅的鹵化物或氫化物與氨發(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)224. 4. 熱分解法熱分解法(1000-1600)(1000-1600)3Si(NH)2Si3N4+2NH33Si(NH2)4Si3N4+8NH3 23Si Si3 3N N4 4基陶瓷球軸承基陶瓷球軸承24高純氧化鋁透明陶瓷燈管高純氧化鋁透明陶瓷燈管25氧化鋁陶瓷制品氧化鋁陶瓷制品26氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷2728氮化硅

19、陶瓷氮化硅陶瓷29耐高溫氧化鋁陶瓷材料耐高溫氧化鋁陶瓷材料30陶瓷的分類陶瓷的分類陶瓷的主要分類：日用陶瓷、精細(xì)陶瓷陶瓷的主要分類：日用陶瓷、精細(xì)陶瓷1.日用陶瓷：日用陶瓷： 中國可以稱得上是陶瓷古國。中國可以稱得上是陶瓷古國。 “ChinaChina”一詞，一詞，即是即是“中國中國”也是也是“瓷器瓷器”的意思。陶瓷是具有悠久的意思。陶瓷是具有悠久歷史的材料，陶瓷材料的特點(diǎn)是硬度高、強(qiáng)度高和歷史的材料，陶瓷材料的特點(diǎn)是硬度高、強(qiáng)度高和抗腐蝕性好，即使在高溫下也如此。過去陶瓷主抗腐蝕性好，即使在高溫下也如此。過去陶瓷主要用作日常生活用品和裝飾美術(shù)品。我國眾多古代文要用作日常生活用品和裝飾美術(shù)品。

20、我國眾多古代文化遺產(chǎn)和出土文物中，有許多是陶瓷珍品?；z產(chǎn)和出土文物中，有許多是陶瓷珍品。31322精細(xì)陶瓷精細(xì)陶瓷陶瓷領(lǐng)域陶瓷領(lǐng)域精細(xì)陶瓷又稱高級(jí)陶瓷精細(xì)陶瓷又稱高級(jí)陶瓷在工業(yè)上使用的陶瓷基礎(chǔ)上，通過調(diào)整原料、控制在工業(yè)上使用的陶瓷基礎(chǔ)上，通過調(diào)整原料、控制化學(xué)組成、改進(jìn)工藝方法、控制材料的顯化學(xué)組成、改進(jìn)工藝方法、控制材料的顯微組織和微組織和結(jié)構(gòu)等，使其成為具有某種特定性能的特殊陶瓷材結(jié)構(gòu)等，使其成為具有某種特定性能的特殊陶瓷材料。料。33 精細(xì)陶瓷精細(xì)陶瓷的種類極為廣泛，概括起來可分為的種類極為廣泛，概括起來可分為功功能陶瓷和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷能陶瓷和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。兩大類。 結(jié)構(gòu)陶瓷主要

21、利用其先進(jìn)的力學(xué)性能制備各種機(jī)結(jié)構(gòu)陶瓷主要利用其先進(jìn)的力學(xué)性能制備各種機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件；功能陶瓷主要利用其特殊的電、械結(jié)構(gòu)零部件；功能陶瓷主要利用其特殊的電、磁、聲、光等性能來制備電容器陶瓷、磁性陶瓷、磁、聲、光等性能來制備電容器陶瓷、磁性陶瓷、壓電陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、電光陶瓷等。壓電陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、電光陶瓷等。34結(jié)構(gòu)陶瓷用途：結(jié)構(gòu)陶瓷用途：用于各種結(jié)構(gòu)部件，以發(fā)揮其材料用于各種結(jié)構(gòu)部件，以發(fā)揮其材料的各種特性如：機(jī)械性能、熱性能、化學(xué)性能，以的各種特性如：機(jī)械性能、熱性能、化學(xué)性能，以及生物功能等各種高性能特長的陶瓷。及生物功能等各種高性能特長的陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要有：結(jié)構(gòu)陶瓷主要有：氮化硅、碳化

22、硅、氧化鋯系統(tǒng)、氮化硅、碳化硅、氧化鋯系統(tǒng)、氧化鋁等各種系列，以及陶瓷基復(fù)合材料系列。氧化鋁等各種系列，以及陶瓷基復(fù)合材料系列。結(jié)構(gòu)陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷：35結(jié)構(gòu)陶瓷特點(diǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷特點(diǎn)耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度、高導(dǎo)熱性和質(zhì)耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度、高導(dǎo)熱性和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。量輕等特點(diǎn)。應(yīng)用應(yīng)用機(jī)械、化工、冶金、汽車、航空航天和電子通訊以機(jī)械、化工、冶金、汽車、航空航天和電子通訊以及生物等方面。及生物等方面。36功能陶瓷：功能陶瓷：功能功能如：電、磁、光、熱、聲、化學(xué)、生物等功能，以及耦合功如：電、磁、光、熱、聲、化學(xué)、生物等功能，以及耦合功能。如壓電、熱電、電光、聲光、磁光等功能。能。如壓電

23、、熱電、電光、聲光、磁光等功能。分類分類1 1）電解質(zhì)陶瓷（如絕緣陶瓷和電容器陶瓷）；）電解質(zhì)陶瓷（如絕緣陶瓷和電容器陶瓷）；2 2）鐵電陶瓷）鐵電陶瓷（如壓電陶瓷）；（如壓電陶瓷）；3 3）敏感陶瓷（如）敏感陶瓷（如PTCPTC、傳感器等）；、傳感器等）；4 4）導(dǎo)電陶瓷（如：氧化鋯、導(dǎo)電陶瓷（如：氧化鋯、 氧化鋁）；氧化鋁）；5 5）超導(dǎo)陶瓷；）超導(dǎo)陶瓷；6 6）磁）磁性陶瓷。性陶瓷。37功能陶瓷具有一些特殊性能功能陶瓷具有一些特殊性能應(yīng)用應(yīng)用能源開發(fā)、信息通訊、空間技術(shù)、傳感技術(shù)、生物能源開發(fā)、信息通訊、空間技術(shù)、傳感技術(shù)、生物技術(shù)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。技術(shù)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。38稀土與陶瓷稀

24、土與陶瓷 由于稀土元素具有由于稀土元素具有4fx 5d1 6s2 電子層結(jié)構(gòu)，電價(jià)電子層結(jié)構(gòu)，電價(jià)高、半徑大、極化力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)活潑及能水解高、半徑大、極化力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)活潑及能水解等性質(zhì)，故其應(yīng)用十分廣泛，尤其在特種陶瓷及等性質(zhì)，故其應(yīng)用十分廣泛，尤其在特種陶瓷及功能材料方面具有廣闊的發(fā)展前景。功能材料方面具有廣闊的發(fā)展前景。 39 Si Si3 3N N4 4 陶瓷硬度高、強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小，具有陶瓷硬度高、強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小，具有較高的抗蠕變性能及抗氧化、抗腐蝕性能，是一種較高的抗蠕變性能及抗氧化、抗腐蝕性能，是一種非常好的高溫結(jié)構(gòu)材料。非常好的高溫結(jié)構(gòu)材料。 作為作為Si Si3

25、3N N4 4 陶瓷，由于陶瓷，由于Si SiN N鍵屬共價(jià)鍵，致使在無鍵屬共價(jià)鍵，致使在無液相存在下燒結(jié)非常困難，須加入添加劑。較為理液相存在下燒結(jié)非常困難，須加入添加劑。較為理想的添加劑為稀土氧化物想的添加劑為稀土氧化物Y Y2 2O O3 3、CeOCeO2 2、LaLa2 2O O3 3 ，不，不僅可使僅可使Si Si3 3N N4 4陶瓷在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生液相，促進(jìn)燒結(jié)，同陶瓷在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生液相，促進(jìn)燒結(jié)，同時(shí)又可大大提高時(shí)又可大大提高Si Si3 3N N4 4陶瓷的高溫力學(xué)性能。陶瓷的高溫力學(xué)性能。40 Si3N4陶瓷陶瓷 Si Si3 3N N4 4 陶瓷陶瓷混合式球軸承混合式球軸承全

26、陶瓷球軸承全陶瓷球軸承41 添加添加La2O3和和Y2 O3的氮化硅陶瓷，其抗彎強(qiáng)度的氮化硅陶瓷，其抗彎強(qiáng)度在在1370的高溫下保持不變，達(dá)的高溫下保持不變，達(dá)1000MPa以上。以上。 添加添加Al2O3和和La2O3燒結(jié)助劑的燒結(jié)助劑的Si3N4 陶瓷形成具陶瓷形成具有高耐火度和粘度的有高耐火度和粘度的YLsSiON玻璃晶界，玻璃晶界，因此具有較高的高溫抗彎強(qiáng)度和較好的抗氧化性因此具有較高的高溫抗彎強(qiáng)度和較好的抗氧化性能，并且在高溫條件下易析出較高熔點(diǎn)的結(jié)晶化能，并且在高溫條件下易析出較高熔點(diǎn)的結(jié)晶化合物，于是減少了材料非晶態(tài)玻璃相的含量，提合物，于是減少了材料非晶態(tài)玻璃相的含量，提高了材

27、料的高溫?cái)嗔秧g性。高了材料的高溫?cái)嗔秧g性。 42Al2O3陶瓷陶瓷 Al2O3 陶瓷具有較高的硬度和機(jī)械強(qiáng)度，膨脹陶瓷具有較高的硬度和機(jī)械強(qiáng)度，膨脹系數(shù)與金屬差不多，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。系數(shù)與金屬差不多，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。對對Al2O3陶瓷來講，為提高其高溫?zé)岱€(wěn)定性，可添陶瓷來講，為提高其高溫?zé)岱€(wěn)定性，可添加稀土元素。加稀土元素。 研究表明：之所以能提高研究表明：之所以能提高Al2O3 陶瓷高溫?zé)岱€(wěn)定陶瓷高溫?zé)岱€(wěn)定性，主要原因是形成了稀土鋁酸鹽，如添加性，主要原因是形成了稀土鋁酸鹽，如添加La2O3可形成起到穩(wěn)定作用的可形成起到穩(wěn)定作用的LaAl11O18。43紅寶石紅色來自鉻紅

28、色來自鉻(Cr) 44藍(lán)寶石藍(lán)寶石 藍(lán)色的藍(lán)寶石，是由于其中混有少量鈦（藍(lán)色的藍(lán)寶石，是由于其中混有少量鈦（Ti）和鐵（和鐵（Fe）雜質(zhì)所致；）雜質(zhì)所致； 45氧化鋁裝置瓷46氧化鋁火花塞47484950高熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高硬度高硬度可制成透明陶瓷可制成透明陶瓷無毒、不溶于水，強(qiáng)度高無毒、不溶于水，強(qiáng)度高主要特性主要特性主要用途主要用途坩堝坩堝剛玉球磨機(jī)剛玉球磨機(jī)高壓鈉燈的燈管高壓鈉燈的燈管水龍頭閥門芯水龍頭閥門芯 將氧化鋁陶瓷主要特性和主要用途一對應(yīng)并連線將氧化鋁陶瓷主要特性和主要用途一對應(yīng)并連線51 為降低為降低AlAl2 2O O3 3 陶瓷的燒成溫度，改進(jìn)產(chǎn)品性能，陶瓷的燒成溫度，改進(jìn)產(chǎn)品性

29、能，在其加入不同數(shù)量的稀土外加劑，可大大降低燒在其加入不同數(shù)量的稀土外加劑，可大大降低燒成溫度。成溫度。 SiC SiC是共價(jià)鍵性極強(qiáng)的化合物，在高溫狀態(tài)下仍是共價(jià)鍵性極強(qiáng)的化合物，在高溫狀態(tài)下仍能保持高的鍵合強(qiáng)度，且熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性能保持高的鍵合強(qiáng)度，且熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性優(yōu)良，具有較高的熱傳導(dǎo)性，故是高溫結(jié)構(gòu)材料最優(yōu)良，具有較高的熱傳導(dǎo)性，故是高溫結(jié)構(gòu)材料最有希望的材料之一。有希望的材料之一。SiC陶瓷陶瓷 52 SiC SiC中添加中添加Al Al 2 2O O3 3和和Y Y2 2O O3 3為燒結(jié)助劑可大大降低為燒結(jié)助劑可大大降低SiCSiC陶瓷的燒結(jié)溫度，陶瓷的燒結(jié)溫度，A

30、lAl2 2O O3 3和和Y Y2 2O O3 3 在燒結(jié)溫度下在燒結(jié)溫度下形成液相，從而以液相燒結(jié)機(jī)理加速材料致密化。形成液相，從而以液相燒結(jié)機(jī)理加速材料致密化。有研究用無壓燒結(jié)有研究用無壓燒結(jié) 制得含板狀晶料的液相燒結(jié)制得含板狀晶料的液相燒結(jié)SiCSiC陶瓷，其斷裂韌性達(dá)陶瓷，其斷裂韌性達(dá)7MPa7MPam1/2 m1/2 ，添加稀土氧，添加稀土氧化物可使其抗氧化性能得到明顯改善，且隨稀土化物可使其抗氧化性能得到明顯改善，且隨稀土加入量的增加，氧化速度逐漸降低，加入量為加入量的增加，氧化速度逐漸降低，加入量為3 3時(shí)效果最佳。時(shí)效果最佳。 53 Y Y2 2O O3 3陶瓷是一種高性能透

31、明陶瓷，它是以高純氧陶瓷是一種高性能透明陶瓷，它是以高純氧化釔為原料并添加化釔為原料并添加8mol8mol10mol10molThOThO2 2 在氫氣在氫氣中于中于20002000以上高溫?zé)赏该鞫嗑w，也可在添以上高溫?zé)赏该鞫嗑w，也可在添加加LiFLiF和和ThOThO2 2 后于后于1300130015001500和和353550MPa50MPa壓力壓力下真空熱壓燒結(jié)。由于其熔點(diǎn)大于下真空熱壓燒結(jié)。由于其熔點(diǎn)大于24002400，介電，介電常數(shù)為常數(shù)為12121414，透明性好，即使在遠(yuǎn)紅外區(qū)仍有，透明性好，即使在遠(yuǎn)紅外區(qū)仍有約約8080的直線透過率，的直線透過率，是優(yōu)良的高溫紅外是

32、優(yōu)良的高溫紅外材料材料和電子材料。和電子材料。Y2O3 陶瓷陶瓷54AlN陶瓷陶瓷 AlN AlN陶瓷導(dǎo)熱性好、耐高溫、耐腐蝕，具有較好陶瓷導(dǎo)熱性好、耐高溫、耐腐蝕，具有較好的電絕緣性能，但因?qū)俟矁r(jià)鍵，故燒結(jié)困難。的電絕緣性能，但因?qū)俟矁r(jià)鍵，故燒結(jié)困難。 在制備在制備AlNAlN陶瓷時(shí)加入稀土氧化物陶瓷時(shí)加入稀土氧化物Y Y O O 、LaLa O O 等等作為添加劑，與作為添加劑，與AINAIN顆粒表面的顆粒表面的AlAl O O 反應(yīng)，生成低反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)液相，使整個(gè)燒結(jié)在有液相參與下進(jìn)行，最終熔點(diǎn)液相，使整個(gè)燒結(jié)在有液相參與下進(jìn)行，最終達(dá)到致密化。這樣制得的達(dá)到致密化。這樣制得的AlN

33、AlN陶瓷可作熔煉純鐵、鋁陶瓷可作熔煉純鐵、鋁等的優(yōu)良坩鍋材料及其高溫結(jié)構(gòu)材料。等的優(yōu)良坩鍋材料及其高溫結(jié)構(gòu)材料。55 ZrO 陶瓷具有較高的熔點(diǎn)，是理想的高溫結(jié)陶瓷具有較高的熔點(diǎn)，是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，但由于其在構(gòu)材料，但由于其在1100左右存在單斜與四方的左右存在單斜與四方的晶型轉(zhuǎn)變，并伴有較大體積變化，故在制造時(shí)須加晶型轉(zhuǎn)變，并伴有較大體積變化，故在制造時(shí)須加入穩(wěn)定劑，稀土氧化物入穩(wěn)定劑，稀土氧化物CeO 和和ThO 為常用穩(wěn)定劑。為常用穩(wěn)定劑。就就Y O 來說，由于來說，由于Y3離子的大小與離子的大小與Zr4離子接近，離子接近，可固溶形成穩(wěn)定的立方晶相，故稀土加入可固溶形成穩(wěn)定的立方晶

34、相，故稀土加入ZrO2后可使后可使ZrO2 陶瓷的抗熱震性能得到較大提高。陶瓷的抗熱震性能得到較大提高。ZrO2陶瓷陶瓷 56 個(gè)人用品：個(gè)人用品：氧化鋯陶瓷耐磨性好，硬度高，可以氧化鋯陶瓷耐磨性好，硬度高，可以拋光拋光且外且外觀美觀，因此可作為手表帶、表殼及其他裝飾部件。陶觀美觀，因此可作為手表帶、表殼及其他裝飾部件。陶瓷表源于瑞士雷達(dá)表，后來國內(nèi)有優(yōu)尼克、潮州三環(huán)和北瓷表源于瑞士雷達(dá)表，后來國內(nèi)有優(yōu)尼克、潮州三環(huán)和北京建材院下屬公司等一些企業(yè)開始生產(chǎn)。目前主要生產(chǎn)表京建材院下屬公司等一些企業(yè)開始生產(chǎn)。目前主要生產(chǎn)表帶，以黑和白為主，藍(lán)、金和紅等其他顏色也已開發(fā)出來，帶，以黑和白為主，藍(lán)、金和紅等其他顏色也已開發(fā)出來，制備工藝以熱壓鑄和干壓為主。制備工藝以熱壓鑄和干壓為主。57 課堂練習(xí)：課堂練習(xí)： 1 1有關(guān)