《先進(jìn)陶瓷材料及進(jìn)展》第四章結(jié)構(gòu)陶瓷課件

第四章結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷1教學(xué)基本要求了解結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。了解和掌握陶瓷的增強(qiáng)和增韌。掌握典型的結(jié)構(gòu)陶瓷。4.0教學(xué)基本要求第四章結(jié)構(gòu)陶瓷教學(xué)基本要求了解結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。4.0教學(xué)基本要2結(jié)構(gòu)陶瓷利用其強(qiáng)度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等性能，用作研磨材料、切削工具、機(jī)械密封件、耐磨機(jī)械零件等。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷利用其強(qiáng)度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等3結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目，各發(fā)達(dá)國家20多年大量投資進(jìn)行研究開發(fā)是因?yàn)橛型麘?yīng)用于熱機(jī)部件。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷另外一個(gè)重要應(yīng)用是陶瓷刀具和磨削工具。結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目，各發(fā)達(dá)國家20多年大量投資進(jìn)行研究開發(fā)是因4優(yōu)異的性能和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益刺激著這一新材料的開發(fā)。

燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)是汽車、飛機(jī)、輪船、坦克、發(fā)電機(jī)組等的動力來源。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷優(yōu)異的性能和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益刺激著這一新材料的開發(fā)。5幾十年來通過改進(jìn)高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術(shù)，使渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度從500℃提高到1100℃，接近高溫合金極限使用溫度。

如用更耐高溫和高溫強(qiáng)度更高的陶瓷來作內(nèi)燃機(jī)部件，可以將渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度提高到1370℃，動力效率可提高到46%。

4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷幾十年來通過改進(jìn)高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術(shù)，使渦輪6陶瓷熱機(jī)還有其它優(yōu)點(diǎn):

可以比金屬轉(zhuǎn)子更快加速。

成本較低?？梢圆捎玫唾|(zhì)量燃料和合成燃料。大幅度降低成本，提高可靠性，易于維護(hù)。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷熱機(jī)還有其它優(yōu)點(diǎn):4.1概述7對軍用車輛來說，節(jié)油意味增加行程，并減輕后勤的負(fù)擔(dān)，車身減輕提高了機(jī)動性，體積的減小，減少了車輛的投影面，提高了生存率，冷卻系統(tǒng)的取消使之利于在沙漠和高寒地帶作戰(zhàn)。金屬發(fā)動機(jī)和陶瓷發(fā)動機(jī)的綜合性能比較見表4-1。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷對軍用車輛來說，節(jié)油意味增加行程，并減輕后勤的負(fù)擔(dān)，車身減輕8燃?xì)廨啓C(jī)類型渦輪最高進(jìn)口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率/%發(fā)動機(jī)質(zhì)量/kg普通高溫合金渦輪機(jī)101070526272高級高溫合金渦輪機(jī)103898233166陶瓷渦輪機(jī)1370109346132表4-1金屬和陶瓷汽車燃?xì)廨啓C(jī)性能的比較4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)類型渦輪最高進(jìn)口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率920世紀(jì)70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力開展了這方面研究。

陶瓷發(fā)動機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)已在美、日、德等國和我國制成，并成功地進(jìn)行了公路試驗(yàn)。陶瓷發(fā)動機(jī)是結(jié)構(gòu)陶瓷最大潛在市場。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷20世紀(jì)70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力10陶瓷刀具是結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用的另一廣闊市場。

陶瓷刀具可以加工這些超硬超強(qiáng)材料，而且它的耐磨和耐熱性好，其最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3~10倍以上，壽命長，減少了換刀、磨刀次數(shù)，從而大大提高加工效率。

4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷刀具是結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用的另一廣闊市場。4.1概述11傳統(tǒng)陶瓷最大弱點(diǎn)是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強(qiáng)度也很低。結(jié)構(gòu)陶瓷研究、開發(fā)的總目標(biāo)就是采用各種方法和途徑來提高材料強(qiáng)度和韌性，使之達(dá)到金屬的水平。陶瓷的增強(qiáng)、增韌是結(jié)構(gòu)陶瓷的中心論題。

4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷最大弱點(diǎn)是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強(qiáng)度也很12陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/100。陶瓷的脆性和強(qiáng)度的分散性是陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的致命弱點(diǎn)。陶瓷在斷裂過程中，除增加新的斷裂表面外，幾乎無其它可以吸收能量的機(jī)制。4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/13提高斷裂韌性有兩個(gè)途徑：

提高強(qiáng)度。增強(qiáng)的途徑首先是提高陶瓷的致密度。增加臨界裂紋的長度，或提高斷裂功。4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷提高斷裂韌性有兩個(gè)途徑：4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌14陶瓷體是由粉末成型燒結(jié)而成，其內(nèi)部有大量氣孔，它的數(shù)量、形狀、分布和大小都會對斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。氣孔率與陶瓷的強(qiáng)度有以下經(jīng)驗(yàn)公式：式中，σc是氣孔率為P時(shí)的強(qiáng)度；σ0是氣孔率為零時(shí)的強(qiáng)度；b是常數(shù)。4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷體是由粉末成型燒結(jié)而成，其內(nèi)部有大量氣孔，它的數(shù)量、形狀15氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強(qiáng)度下降：

陶瓷的彈性模量隨氣孔率增大而減小，斷裂強(qiáng)度與彈性模量的平方根成正比，故氣孔率增大或材料密度減小使陶瓷的強(qiáng)度下降。

晶界處的氣孔會引起應(yīng)力集中，在外力作用下形成微裂紋，降低強(qiáng)度。

4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強(qiáng)度下降：4.２陶瓷16氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴(kuò)展，增大陶瓷的脆性。氣孔若呈不規(guī)則狀，則在多相交界處，氣孔本身就相當(dāng)于裂紋。陶瓷高致密時(shí)，強(qiáng)度得到增加，增強(qiáng)的同時(shí)也增加了斷裂韌性，但單通過提高強(qiáng)度有時(shí)并不能明顯地增韌。

4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴(kuò)展，增17高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復(fù)合材料微晶玻璃耐火材料炻器陶器彎曲強(qiáng)度/GPa0123年代18501900195019701990圖4-1陶瓷強(qiáng)度近年來的進(jìn)展及與金屬的比較4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復(fù)18一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的先進(jìn)陶瓷。氧化鋁是應(yīng)用最廣泛的一種。氧化鋯則是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷中強(qiáng)度和斷裂韌性最高的一種。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的先進(jìn)陶瓷。419（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al2O3和γ-Al2O3兩種晶型。

氧化鋁陶瓷最常用的原料是人工合成的α-Al2O3粉末。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al20氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強(qiáng)度高、原料豐富。

工業(yè)氧化鋁原料制備方法主要用改進(jìn)的Bayer法煉鋁工藝，由于含鈉量較高，在0.01%以上，在很多的應(yīng)用上受到限制。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強(qiáng)度高、原料豐富21先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。有機(jī)鋁鹽加水分解法。鋁在水中放電氧化法。鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。4.322種類Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%拜爾氧化鋁普通氧化鋁99.3~99.6約0.3酸洗低鈉氧化鋁約99.80.02~0.06易燒結(jié)氧化鋁約99.80.02~0.06高純度氧化鋁99.95~99.99約0.002表4-2各種氧化鋁的純度及Na2O含量4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷種類Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)拜爾氧化鋁普通23成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機(jī)用部件薄膜成型集成電路基片、封裝擠壓成型爐芯管、電阻管、蜂窩體注射成型火花塞、絲軌、噴燒嘴壓力成型開關(guān)電阻部件、滑動部件熱壓成型切削刀具等靜壓成型火花塞、透光管、噴嘴表4-3各種氧化鋁的成型方法和用途4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機(jī)用部件薄膜241234140012001.62.02.42.83.23.64.0燒結(jié)溫度/℃燒結(jié)密度/(g/cm2)圖4-2添加劑對氧化鋁燒結(jié)性能的影響1—不添加(O2中)；2—添加TiO21%(O2中)；3—添加MnO21%(O2中)；4—添加TiO21%(H2中)4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷1234140012001.62.02.42.83.23.625制造透明氧化鋁陶瓷的條件：

高純原料。在真空或氫氣中燒結(jié)，使氣孔中的氣體脫去較易而無殘留氣孔。添加晶粒生長控制劑。

鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷制造透明氧化鋁陶瓷的條件：高純原料。4.3典型的結(jié)26用途耐熱導(dǎo)熱電絕緣強(qiáng)度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×★★★×▲絲軌×▲×☆★☆刀具▲☆×★☆▲爐芯管★☆☆☆×☆燒杯☆××☆×★表4-4氧化鋁的主要用途及性能要求注：★非常好；☆好；▲稍好；×不好。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷用途耐熱導(dǎo)熱電絕緣強(qiáng)度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×27(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點(diǎn)高、高溫蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，這些性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷但價(jià)格昂貴，以往應(yīng)用不廣。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點(diǎn)高、高溫蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn)定性28近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應(yīng)用，開發(fā)出一系列高強(qiáng)度、高韌性陶瓷，力學(xué)性能為結(jié)構(gòu)陶瓷之首，并且在功能陶瓷中成為敏感材料和電熱材料，有廣泛應(yīng)用，引起了研究和生產(chǎn)的熱潮。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應(yīng)用，開發(fā)出一系列高強(qiáng)度、高韌性陶29二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：約1150℃約950℃單斜相ZrO2四方相ZrO22370℃立方相ZrO24.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：30單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.09g/cm3，立方相為6.27g/cm3，因此當(dāng)單斜相ZrO2加熱到1100℃左右就會發(fā)生體積的突然收縮，同時(shí)變?yōu)樗姆较?。?dāng)四方相ZrO2冷冷卻到950℃左右，就會變成單斜相，同時(shí)產(chǎn)生體積的突然膨脹。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.314.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷加入穩(wěn)定劑，可使ZrO2高溫立方相在室溫下仍穩(wěn)定存在。稱為穩(wěn)定ZrO2(SZ)，這就避免了四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)產(chǎn)生的體積膨脹而使制品開裂，從而制得ZrO2陶瓷。穩(wěn)定劑要具備與ZrO2固溶的條件，即陽離子大小與Zr4+相似，穩(wěn)定劑應(yīng)是立方晶系。以Y2O3最好，MgO最差。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷324.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Mg2+(0.078nm)比Zr4+(0.087nm)小，固溶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在1500℃固溶時(shí)，穩(wěn)定劑的最小用量(摩爾分?jǐn)?shù))：MgO13.8%，CaO11.2%，Y2O36%。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷334.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷穩(wěn)定劑少于此限，ZrO2不能全部形成立方晶系，得到不同比例的立方、四方、單斜相混合物或純四方相燒結(jié)物。這種ZrO2陶瓷為部分穩(wěn)定的ZrO2陶瓷(PSZ)

。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷34二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩(wěn)定劑鹽類的混合水溶液中加入氨等堿類物質(zhì)，產(chǎn)生氫氧化物共沉淀，干燥后經(jīng)800℃左右煅燒，得到與穩(wěn)定劑固溶的ZrO2粉末。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩(wěn)35如穩(wěn)定劑

得到混有穩(wěn)定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷如穩(wěn)定劑得到混有穩(wěn)定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.336水解法。長時(shí)間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧化物，再煅燒得ZrO2粉末。如鋯鹽為ZrOCl·8H2O，則反應(yīng)為4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷水解法。長時(shí)間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧37如用有機(jī)醇鹽，則反應(yīng)方程如下得到結(jié)晶良好的ZrO2粉末。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷如用有機(jī)醇鹽，則反應(yīng)方程如下得到結(jié)晶良好的ZrO2粉末。38熱分解法：包括將含鋯鹽和穩(wěn)定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接熱解和將冷凍干燥的干燥物熱分解等三種方法。二氧化鋯制品分為穩(wěn)定二氧化鋯燒結(jié)體與部分穩(wěn)定二氧化鋯(PSZ)制品兩種。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷熱分解法：包括將含鋯鹽和穩(wěn)定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接391200200200001606004003001008040保溫時(shí)間/h斷裂能/(J/m3)斷裂強(qiáng)度/MPa圖4-3摻CaO的ZrO2(1000℃)保溫時(shí)間與斷裂強(qiáng)度、斷裂能的關(guān)系4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷12002002000016060040030010080440015501650100806040201250135014501150圖4-4Y2O3-ZrO2的燒結(jié)溫度與四方相含量的關(guān)系燒結(jié)溫度/℃四方相含量/%4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷01550165010080604020125013501441PSZ的用途：刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫(yī)用、工業(yè)用刀具，它不銹、無磁性、與生物親和。

滑動部件類：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、噴嘴、泵部件、粉碎機(jī)部件等。5.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷PSZ的用途：刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫(yī)用、工業(yè)用刀42隔熱材料：ZrO2的熱導(dǎo)率低于Al2O3的1/10，ZrO2纖維、氈、板等是最好的高溫隔熱材料，用作高溫爐的保溫隔熱材料可大大減小爐子尺寸，塊材作為內(nèi)燃機(jī)部件也可減小熱損失。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷隔熱材料：ZrO2的熱導(dǎo)率低于Al2O3的1/10，ZrO243穩(wěn)定ZrO2制品的用途：傳統(tǒng)的ZrO2耐火材料用于用于煉鋼、煉鐵、玻璃熔融等的高溫設(shè)備中。近來利用其導(dǎo)電性能又作各種氧敏感元件、燃料電池的固體電解質(zhì)、發(fā)熱元件等。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷穩(wěn)定ZrO2制品的用途：傳統(tǒng)的ZrO2耐火材料用于用于煉鋼、44二非氧化物陶瓷（一）氮化物4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氮化硅作為陶瓷材料已日益受到重視。Si3N4陶瓷的制備工藝:Si3N4陶瓷按燒結(jié)方法不同分為反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、氣氛加壓燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法等。二非氧化物陶瓷4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷454.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷化學(xué)氣相沉積法是利用氣相反應(yīng)方法使Si3N4沉積在某一基材上，如用SiCl4和N2反應(yīng)(在H2氣氛保護(hù)下)，使Si3N4沉積在石墨基體上形成一層致密的Si3N4保護(hù)層。反應(yīng)：3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl。此法用于制作薄壁管制品，不宜制作厚制品。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷464.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氣氛加壓燒結(jié)法是為了防止Si3N4的高溫分解而采用加大氮?dú)鈮毫Φ姆椒?。通常用幾十個(gè)MPa的N2，在高溫(2000℃)下快速燒結(jié)得到相當(dāng)致密的Si3N4制品。該法要爐子設(shè)備氣密性好，且經(jīng)得起高壓。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷474.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用氮化硅有α-Si3N4及β-Si3N4兩種晶型，都屬于六方晶系晶體。Si3N4陶瓷室溫強(qiáng)度不高，強(qiáng)度強(qiáng)烈地依賴于氣孔率。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷484.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷對氣孔率趨于零的熱壓和無壓燒結(jié)Si3N4，則常溫強(qiáng)度較高。它們的高溫強(qiáng)度強(qiáng)烈地受晶界相物質(zhì)的影響，與晶界物質(zhì)性質(zhì)（軟化點(diǎn)和熔點(diǎn)等）和數(shù)量有關(guān)。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷494.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4具有較高硬度，僅次于金剛石、立方氮化硼、碳化硼等。Si3N4耐磨，具有自潤滑性，利用這種特性可作機(jī)械密封材料，但它仍屬于脆性材料，受瞬時(shí)沖擊易破碎。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷504.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4的熱膨脹系數(shù)僅為2.53×10-6/℃，比MgO、Al2O3低很多。其熱導(dǎo)率是較高的，可達(dá)18.4W/(m·K)。Si3N4材料低的熱膨脹系數(shù)、高的熱導(dǎo)率及機(jī)械強(qiáng)度使其具有優(yōu)良的抗熱震性。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷514.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4的抗氧化溫度可達(dá)1300~1400℃，具有高溫抗氧化性。這種材料幾乎不受各類無機(jī)酸的腐蝕，常溫下不受強(qiáng)堿作用，但易被熔融堿液侵蝕。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷524.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不受大部分熔融金屬侵蝕，不反應(yīng)，不潤濕，如用Si3N4作容器，用熔融鋁浸泡280d也不反應(yīng)。Si3N4制品在燒結(jié)過程中，幾乎不發(fā)生收縮，可制成精密度高的產(chǎn)品。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷534.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷目前Si3N4陶瓷主要用于制造氣輪機(jī)葉片、發(fā)動機(jī)軸承等。由于它能耐高溫、可大大提高熱機(jī)效率。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷544.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷塞龍(sialon)陶瓷Si3N4與Al2O3可形成一系列固溶體，所得的Si-Al-O-N陶瓷材料稱為sialon(音譯為塞龍)。它也可看作AlN和SiO2的固溶體。其燒結(jié)機(jī)理稱為“過渡液相燒結(jié)”。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷554.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷燒結(jié)初期，部分組分形成液相，促進(jìn)燒結(jié)致密化。燒結(jié)后期，液相與固相組分反應(yīng)，Al、O等進(jìn)入β-Si3N4晶格，形成固溶體，液相起一種過渡作用，而沒有在晶界上留下玻璃相。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷564.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷所以塞龍?zhí)沾傻母邷貜?qiáng)度、抗氧化性、抗蠕變性、抗熱沖擊性能均優(yōu)于Si3N4。添加Y2O3、MgO等外加氧化物時(shí)，無壓燒結(jié)的致密度甚至接近理論密度。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷574.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷塞龍?zhí)沾捎忙?Si3N4、Al2O3和AlN粉或α-Si3N4、AlN、SiO2粉末作為原料，在N2氣氛中高溫反應(yīng)都可以獲得。還可由含SiO2、Al2O3礦物，如高嶺土、伊利石、火山灰等，或工農(nóng)業(yè)廢料，如硅灰、稻殼等，通過碳熱還原反應(yīng)制造。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷584.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷雖然其性能因雜質(zhì)含量高而有所下降，但成本低廉，易大規(guī)模生產(chǎn)，不失為一種很有前途的陶瓷材料。表4-5比較摻Y(jié)2O3的塞龍(商品名Syalon101)和熱壓Si3N4、反應(yīng)燒結(jié)Si3N4的性能。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷59性能Syalon101熱壓Si3N4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4室溫抗彎強(qiáng)度/MPa945896241韋伯模數(shù)1110~1510~15室溫抗拉強(qiáng)度/MPa450約580145室溫抗壓強(qiáng)度/MPa>3500>35001000室溫彈性模量/MPa3×1053.1×1052.0×105表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續(xù)１）4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷性能Syalon101熱壓Si3N4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4室溫抗60性能Syalon101熱壓Si3N4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4硬度(VPN，0.5kg負(fù)載)20002200900~1000斷裂韌性/MPa·m1/27.751.87泊松比0.230.270.27密度/(g/cm3)3.23~3.263.202.5表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續(xù)２）4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷性能Syalon101熱壓Si3N4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4硬度(61表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續(xù)３，完）性能Syalon101熱壓Si3N4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4熱膨脹系數(shù)(1~1000℃)/℃-13.04×10-63.2×10-63.2×10-6比熱容/[J/(K·kg)]620710710熱導(dǎo)率/[W/(m·K)]21.3258~12抗熱沖擊性ΔT/K500/7005004.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續(xù)３，完）性能624.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷塞龍?zhí)沾赡壳白畛晒Φ膽?yīng)用是切削刀具，用于鑄鐵、鎳基高溫合金切削效果非常好，比TiN涂層硬質(zhì)合金刀具切削速度快5倍，金屬切除率提高50~93%，切削時(shí)間減少90%。在其它領(lǐng)域，凡是Si3N4可應(yīng)用的地方，塞龍?zhí)沾删蓱?yīng)用。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷634.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷(AlN)具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，單晶是無色透明體，在常壓下沒有熔點(diǎn)，2450℃時(shí)升華分解，密度為3.26g/cm3。即使在分解溫度前也不軟化變形。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷644.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氮化鋁陶瓷常溫強(qiáng)度不如Al2O3，但高溫強(qiáng)度比Al2O3高，熱膨脹系數(shù)比Al2O3低(25~1000℃，4.9×10-6℃-1)，而熱導(dǎo)率是Al2O3的兩倍，故抗熱震性優(yōu)于Al2O3。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷654.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷AlN在化學(xué)上也十分穩(wěn)定。AlN電絕緣性能與Al2O3相似，電阻率>1013Ω·cm，介電常數(shù)8~9(107Hz)。tanδ0.001~0.0001(107Hz)，高頻時(shí)的介電常數(shù)變化小是其特點(diǎn)之一。各種方法生產(chǎn)的AlN陶瓷性能列于表4-6

。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷66表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)１）性能普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3密度/(g/cm3)2.61~2.933.26~3.503.203.26~3.5氣孔率/%10~20020顏色灰白黑黑灰黑4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)１）性能普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)A67表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)２）性能普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3抗折強(qiáng)度/(kgf/mm2)10~3045~6530~4050~90硬度/(kgf/mm2)—1200~160012001200~1600彈性模量/(×106kgf/mm2)—3.103.512.794.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)２）普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)AlN68表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)３）性能普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3熱膨脹系數(shù)(25~1000℃)/℃-15.70—5.044.90熱導(dǎo)率/[cal/(cm·s·℃)]200℃——0.07—4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)３）性能普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)A69表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)４，完）性能普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3800℃——0.05—機(jī)械加工性良良良抗氧化性劣優(yōu)良優(yōu)注：1kgf=9.80665N；1cal=4.1840J4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續(xù)４，完）性能普通燒結(jié)熱壓燒704.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷AlN陶瓷最吸引人的應(yīng)用是做集成電路基板。它有良好的絕緣電阻和熱導(dǎo)率，而且熱膨脹系數(shù)與硅單晶的匹配很好。克服了用Al2O3作基片時(shí)與硅片不匹配和散熱性能差的缺點(diǎn)。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷714.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Al2O3基片上必須涂上銅和鉬鎢的隔離層以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，從而使結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，增加了工時(shí)和成本。采用氮化鋁材料，結(jié)構(gòu)簡單，組件的可靠性提高，并提高了集成度，更加微型化和輕型化，4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷724.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷預(yù)計(jì)不久的將來硅器件的集成度可高達(dá)109元件/芯片。AlN陶瓷還可以取代石英玻璃制作合成GaAs半導(dǎo)體的坩堝，可消除硅對GaAs的污染。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷734.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷純的AlN很難燒結(jié)，因?yàn)锳l-N鍵屬強(qiáng)的共價(jià)鍵，鍵能很強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散系數(shù)小，擴(kuò)散活化能高。在AlN燒結(jié)時(shí)往往加入一些BeO、BaO、Al2O3、Y2O3、MgO等氧化物，使它們與AlN反應(yīng)生成一些鋁酸鹽來促進(jìn)燒結(jié)。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷744.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷由于有第二相的生成并富集于晶界，降低了晶粒處晶界能，使晶界處氣孔易于擴(kuò)散、縮小，達(dá)到致密化的目的。為了促進(jìn)燒結(jié)，提高坯體強(qiáng)度，有時(shí)也加入一些金屬，如鐵、鎳、鈷、鉬等細(xì)粉，彌補(bǔ)在AlN坯體中。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷754.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷下面列出一個(gè)制造AlN陶瓷的工藝實(shí)例：平均粒徑為2.5μm的高純AlN粉和2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的33CaO·Al2O3粉添加劑混合、研磨后經(jīng)造?；蛑瞥闪蠞{，經(jīng)冷壓或流延法制成素坯，在1800℃氮?dú)夥罩袩Y(jié)10h，可達(dá)理論密度98%以上。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷764.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氮化硼陶瓷BN陶瓷的結(jié)構(gòu)與碳元素相似，有六方和立方兩種晶型。六方BN是層狀的白色晶體，莫氏硬度僅為2，有滑膩感，類似于石墨，俗稱白石墨。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷774.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷沒有石墨那樣令人討厭的黑色，而且是絕緣體。室溫電阻率為1×1012Ω·cm。高溫下電阻率仍很高，1000℃時(shí)為103Ω·cm，是一種新的固體潤滑劑。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷784.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷與石墨一樣，六方BN在高溫高壓下(1350~1800℃，6.28~6.59MPa)可轉(zhuǎn)化為與金剛石結(jié)構(gòu)相似的立方BN，其硬度僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石。立方BN與金剛石性能的對比見表5-7

。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷79表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)１）性質(zhì)金剛石立方BN性質(zhì)金剛石立方BN晶體結(jié)構(gòu)立方立方熔點(diǎn)/℃3700~40003000原子最小間距/nm0.1540.156比電阻/Ω·m3×1011~5×10122×1010理論密度/(103kg/m3)3.513.48彈性模量/(kgf/mm2)9×1067.1×106顯微硬度/MPa8600~100007000~10000抗壓強(qiáng)度/9.8MPa312~562230~5004.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)１）性質(zhì)金剛石立方80表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)２，完）性質(zhì)金剛石立方BN性質(zhì)金剛石立方BN熱導(dǎo)率/{102W/(m·K)}2013解理面(111)(110)比熱容0.12化學(xué)性質(zhì)耐酸堿作用慢耐酸堿作用緩慢熱膨脹系數(shù)/10-6℃-10.8~4.83.5對鐵族元素易反應(yīng)惰性熱穩(wěn)定性/℃約900約14004.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)２，完）性質(zhì)金剛石814.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷BN是一種惰性物質(zhì)，對一般金屬熔體、玻璃熔體、酸、堿都有很好耐腐蝕性，可做熔煉金屬的坩堝和各種酸堿盛器、反應(yīng)器及隔離器。立方BN由于其高硬度和其它優(yōu)異性能，最大應(yīng)用前景是切削工具和切削材料，可用加工硬而韌、易于黏結(jié)的難切削材料，還可用來加工氮化硅等高硬陶瓷材料。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷82（二）碳化物4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷類金剛石薄膜天然金剛石是世界上最硬的材料，但很稀少。人工合成金剛石是將石墨在高溫和極高的壓力下轉(zhuǎn)變而成，而且只能得到少量的1mm的小顆粒，技術(shù)難度很大。（二）碳化物4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷834.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷近年來低壓化學(xué)氣相法合成金剛石制得了大面積金剛石薄膜，使金剛石合成有很大的發(fā)展。這種合成的金剛石薄膜中含有石墨碳和碳-氫結(jié)構(gòu)，并不完全是純金剛石，故稱為類金剛石薄膜。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷844.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷類金剛石薄膜與金剛石相比，含有較多結(jié)構(gòu)缺陷，且多處于亞穩(wěn)態(tài)，是一種石墨與金剛石之間的中間狀態(tài)，隨著sp3鍵碳含量的增加，sp3/sp2之比增大，則類金剛石薄膜的性質(zhì)接近于金剛石體材料的性質(zhì)。表5-8類金剛石薄膜的性質(zhì)與金剛石的比較。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷85表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)１）性質(zhì)金剛石類金剛石薄膜晶體結(jié)構(gòu)F.C.C非晶/微晶/多晶密度3.511.8~3.4莫氏硬度107~9顯微硬度/MPa9800029400~88200摩擦系數(shù)（與鋼）0.05~0.150.002~0.24.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)１）性質(zhì)金剛石類86表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)２，完）性質(zhì)金剛石類金剛石薄膜折射率2.421.5~3.0熱導(dǎo)率/[W/(m·K)]10~205~18電阻率/Ω·cmⅠa，Ⅰb，Ⅱa：1016；Ⅱb：103102~1014化學(xué)穩(wěn)定性絕大部分無機(jī)酸和溶液許多無機(jī)酸和溶液4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)２，完）性質(zhì)金剛874.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷具有硬度高、高溫強(qiáng)度高、抗氧化性好、耐腐蝕性好和熱導(dǎo)率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種十分重要的高溫陶瓷材料，很早以來就廣泛應(yīng)用于研磨材料和耐火材料，近年來作為汽車用陶瓷、燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的主要候選材料之一，更有快速發(fā)展。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷88表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)１）性能材料Si3N4SiC無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)密度/(g/cm3)3.083.182.753.103.213.10分解溫度/℃190019001900270027002700室溫6508402965009305504.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)１89表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)２）性能材料Si3N4SiC無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)1000℃470680300475820530彈性模量/GPa230310160303440410斷裂韌性KIc/(MPa·m1/2)

5.35.63.62.44.44.64.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)２90表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)３）性能材料Si3N4SiC無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)熱膨脹系數(shù)α/(×10-7)3.33.283.04.34.84.3熱導(dǎo)率λ/[cal/(cm·s·℃)]0.070.0480.0480.140.190.16熱容/[cal/(g·℃)]0.190.170.190.20.200.24.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)３91表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)４）性能材料Si3N4SiC無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)熱沖擊抵抗參數(shù)(溫差ΔT)/K8608306203804403004.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)４92表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)５，完）性能材料Si3N4SiC無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)無壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)氧化增重/(mg/cm3)0.1(100h，1000℃)<0.1(100h，1000℃)2(100h，1000℃)<0.1(100h，1000℃)1.5(16h，1600℃)最高使用溫度/℃1400150015001650165016504.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續(xù)５93表4-10碳化硅的用途(續(xù)1)領(lǐng)域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點(diǎn)石油工業(yè)高溫高壓研磨性物質(zhì)噴嘴，軸承，密封，閥片耐磨，絕熱微電子工業(yè)大功率散熱封裝材料基片高熱導(dǎo)，高絕緣化學(xué)工業(yè)強(qiáng)酸強(qiáng)堿高溫氧化密封軸承泵套筒泵部件熱交換器汽化管道熱電偶保護(hù)管耐磨損，耐腐蝕，氣密性好，耐高溫4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-10碳化硅的用途(續(xù)1)領(lǐng)域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點(diǎn)石94表4-10碳化硅的用途（續(xù)2）領(lǐng)域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點(diǎn)汽車拖拉機(jī)燃燒（發(fā)動機(jī)）燃燒器部件渦輪增壓器低摩擦高強(qiáng)度飛機(jī)宇宙火箭渦輪葉片燃?xì)廨啓C(jī)靜動葉片火箭噴嘴低慣性，低負(fù)荷，耐熱沖擊激光大功率高溫反射屏高強(qiáng)度高穩(wěn)定性汽車拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)軸低摩擦耐磨損4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-10碳化硅的用途（續(xù)2）領(lǐng)域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點(diǎn)汽車95表4-10碳化硅的用途（續(xù)3，完）領(lǐng)域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點(diǎn)噴沙機(jī)高速研削噴嘴耐磨損造紙工業(yè)紙漿廢液紙漿密封陶管軸承襯墊耐磨損，耐腐蝕，低摩擦礦業(yè)研削內(nèi)襯泵部件耐磨損原子能含硼高溫水密封軸套耐放射性其它加工工程拉絲成型模具耐磨損，耐腐蝕4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷表4-10碳化硅的用途（續(xù)3，完）領(lǐng)域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點(diǎn)96第四章結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷97教學(xué)基本要求了解結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。了解和掌握陶瓷的增強(qiáng)和增韌。掌握典型的結(jié)構(gòu)陶瓷。4.0教學(xué)基本要求第四章結(jié)構(gòu)陶瓷教學(xué)基本要求了解結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。4.0教學(xué)基本要98結(jié)構(gòu)陶瓷利用其強(qiáng)度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等性能，用作研磨材料、切削工具、機(jī)械密封件、耐磨機(jī)械零件等。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷利用其強(qiáng)度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等99結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目，各發(fā)達(dá)國家20多年大量投資進(jìn)行研究開發(fā)是因?yàn)橛型麘?yīng)用于熱機(jī)部件。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷另外一個(gè)重要應(yīng)用是陶瓷刀具和磨削工具。結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目，各發(fā)達(dá)國家20多年大量投資進(jìn)行研究開發(fā)是因100優(yōu)異的性能和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益刺激著這一新材料的開發(fā)。

燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)是汽車、飛機(jī)、輪船、坦克、發(fā)電機(jī)組等的動力來源。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷優(yōu)異的性能和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益刺激著這一新材料的開發(fā)。101幾十年來通過改進(jìn)高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術(shù)，使渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度從500℃提高到1100℃，接近高溫合金極限使用溫度。

如用更耐高溫和高溫強(qiáng)度更高的陶瓷來作內(nèi)燃機(jī)部件，可以將渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度提高到1370℃，動力效率可提高到46%。

4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷幾十年來通過改進(jìn)高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術(shù)，使渦輪102陶瓷熱機(jī)還有其它優(yōu)點(diǎn):

可以比金屬轉(zhuǎn)子更快加速。

成本較低?？梢圆捎玫唾|(zhì)量燃料和合成燃料。大幅度降低成本，提高可靠性，易于維護(hù)。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷熱機(jī)還有其它優(yōu)點(diǎn):4.1概述103對軍用車輛來說，節(jié)油意味增加行程，并減輕后勤的負(fù)擔(dān)，車身減輕提高了機(jī)動性，體積的減小，減少了車輛的投影面，提高了生存率，冷卻系統(tǒng)的取消使之利于在沙漠和高寒地帶作戰(zhàn)。金屬發(fā)動機(jī)和陶瓷發(fā)動機(jī)的綜合性能比較見表4-1。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷對軍用車輛來說，節(jié)油意味增加行程，并減輕后勤的負(fù)擔(dān)，車身減輕104燃?xì)廨啓C(jī)類型渦輪最高進(jìn)口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率/%發(fā)動機(jī)質(zhì)量/kg普通高溫合金渦輪機(jī)101070526272高級高溫合金渦輪機(jī)103898233166陶瓷渦輪機(jī)1370109346132表4-1金屬和陶瓷汽車燃?xì)廨啓C(jī)性能的比較4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)類型渦輪最高進(jìn)口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率10520世紀(jì)70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力開展了這方面研究。

陶瓷發(fā)動機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)已在美、日、德等國和我國制成，并成功地進(jìn)行了公路試驗(yàn)。陶瓷發(fā)動機(jī)是結(jié)構(gòu)陶瓷最大潛在市場。4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷20世紀(jì)70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力106陶瓷刀具是結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用的另一廣闊市場。

陶瓷刀具可以加工這些超硬超強(qiáng)材料，而且它的耐磨和耐熱性好，其最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3~10倍以上，壽命長，減少了換刀、磨刀次數(shù)，從而大大提高加工效率。

4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷刀具是結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用的另一廣闊市場。4.1概述107傳統(tǒng)陶瓷最大弱點(diǎn)是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強(qiáng)度也很低。結(jié)構(gòu)陶瓷研究、開發(fā)的總目標(biāo)就是采用各種方法和途徑來提高材料強(qiáng)度和韌性，使之達(dá)到金屬的水平。陶瓷的增強(qiáng)、增韌是結(jié)構(gòu)陶瓷的中心論題。

4.1概述第四章結(jié)構(gòu)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷最大弱點(diǎn)是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強(qiáng)度也很108陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/100。陶瓷的脆性和強(qiáng)度的分散性是陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的致命弱點(diǎn)。陶瓷在斷裂過程中，除增加新的斷裂表面外，幾乎無其它可以吸收能量的機(jī)制。4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/109提高斷裂韌性有兩個(gè)途徑：

提高強(qiáng)度。增強(qiáng)的途徑首先是提高陶瓷的致密度。增加臨界裂紋的長度，或提高斷裂功。4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷提高斷裂韌性有兩個(gè)途徑：4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌110陶瓷體是由粉末成型燒結(jié)而成，其內(nèi)部有大量氣孔，它的數(shù)量、形狀、分布和大小都會對斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。氣孔率與陶瓷的強(qiáng)度有以下經(jīng)驗(yàn)公式：式中，σc是氣孔率為P時(shí)的強(qiáng)度；σ0是氣孔率為零時(shí)的強(qiáng)度；b是常數(shù)。4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷體是由粉末成型燒結(jié)而成，其內(nèi)部有大量氣孔，它的數(shù)量、形狀111氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強(qiáng)度下降：

陶瓷的彈性模量隨氣孔率增大而減小，斷裂強(qiáng)度與彈性模量的平方根成正比，故氣孔率增大或材料密度減小使陶瓷的強(qiáng)度下降。

晶界處的氣孔會引起應(yīng)力集中，在外力作用下形成微裂紋，降低強(qiáng)度。

4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強(qiáng)度下降：4.２陶瓷112氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴(kuò)展，增大陶瓷的脆性。氣孔若呈不規(guī)則狀，則在多相交界處，氣孔本身就相當(dāng)于裂紋。陶瓷高致密時(shí)，強(qiáng)度得到增加，增強(qiáng)的同時(shí)也增加了斷裂韌性，但單通過提高強(qiáng)度有時(shí)并不能明顯地增韌。

4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴(kuò)展，增113高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復(fù)合材料微晶玻璃耐火材料炻器陶器彎曲強(qiáng)度/GPa0123年代18501900195019701990圖4-1陶瓷強(qiáng)度近年來的進(jìn)展及與金屬的比較4.２陶瓷的增強(qiáng)與增韌第四章結(jié)構(gòu)陶瓷高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復(fù)114一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的先進(jìn)陶瓷。氧化鋁是應(yīng)用最廣泛的一種。氧化鋯則是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷中強(qiáng)度和斷裂韌性最高的一種。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的先進(jìn)陶瓷。4115（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al2O3和γ-Al2O3兩種晶型。

氧化鋁陶瓷最常用的原料是人工合成的α-Al2O3粉末。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al116氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強(qiáng)度高、原料豐富。

工業(yè)氧化鋁原料制備方法主要用改進(jìn)的Bayer法煉鋁工藝，由于含鈉量較高，在0.01%以上，在很多的應(yīng)用上受到限制。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強(qiáng)度高、原料豐富117先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。有機(jī)鋁鹽加水分解法。鋁在水中放電氧化法。鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。4.3118種類Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%拜爾氧化鋁普通氧化鋁99.3~99.6約0.3酸洗低鈉氧化鋁約99.80.02~0.06易燒結(jié)氧化鋁約99.80.02~0.06高純度氧化鋁99.95~99.99約0.002表4-2各種氧化鋁的純度及Na2O含量4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷種類Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)拜爾氧化鋁普通119成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機(jī)用部件薄膜成型集成電路基片、封裝擠壓成型爐芯管、電阻管、蜂窩體注射成型火花塞、絲軌、噴燒嘴壓力成型開關(guān)電阻部件、滑動部件熱壓成型切削刀具等靜壓成型火花塞、透光管、噴嘴表4-3各種氧化鋁的成型方法和用途4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機(jī)用部件薄膜1201234140012001.62.02.42.83.23.64.0燒結(jié)溫度/℃燒結(jié)密度/(g/cm2)圖4-2添加劑對氧化鋁燒結(jié)性能的影響1—不添加(O2中)；2—添加TiO21%(O2中)；3—添加MnO21%(O2中)；4—添加TiO21%(H2中)4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷1234140012001.62.02.42.83.23.6121制造透明氧化鋁陶瓷的條件：

高純原料。在真空或氫氣中燒結(jié)，使氣孔中的氣體脫去較易而無殘留氣孔。添加晶粒生長控制劑。

鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷制造透明氧化鋁陶瓷的條件：高純原料。4.3典型的結(jié)122用途耐熱導(dǎo)熱電絕緣強(qiáng)度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×★★★×▲絲軌×▲×☆★☆刀具▲☆×★☆▲爐芯管★☆☆☆×☆燒杯☆××☆×★表4-4氧化鋁的主要用途及性能要求注：★非常好；☆好；▲稍好；×不好。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷用途耐熱導(dǎo)熱電絕緣強(qiáng)度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×123(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點(diǎn)高、高溫蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，這些性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷但價(jià)格昂貴，以往應(yīng)用不廣。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點(diǎn)高、高溫蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn)定性124近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應(yīng)用，開發(fā)出一系列高強(qiáng)度、高韌性陶瓷，力學(xué)性能為結(jié)構(gòu)陶瓷之首，并且在功能陶瓷中成為敏感材料和電熱材料，有廣泛應(yīng)用，引起了研究和生產(chǎn)的熱潮。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應(yīng)用，開發(fā)出一系列高強(qiáng)度、高韌性陶125二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：約1150℃約950℃單斜相ZrO2四方相ZrO22370℃立方相ZrO24.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：126單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.09g/cm3，立方相為6.27g/cm3，因此當(dāng)單斜相ZrO2加熱到1100℃左右就會發(fā)生體積的突然收縮，同時(shí)變?yōu)樗姆较唷．?dāng)四方相ZrO2冷冷卻到950℃左右，就會變成單斜相，同時(shí)產(chǎn)生體積的突然膨脹。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.1274.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷加入穩(wěn)定劑，可使ZrO2高溫立方相在室溫下仍穩(wěn)定存在。稱為穩(wěn)定ZrO2(SZ)，這就避免了四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)產(chǎn)生的體積膨脹而使制品開裂，從而制得ZrO2陶瓷。穩(wěn)定劑要具備與ZrO2固溶的條件，即陽離子大小與Zr4+相似，穩(wěn)定劑應(yīng)是立方晶系。以Y2O3最好，MgO最差。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷1284.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷Mg2+(0.078nm)比Zr4+(0.087nm)小，固溶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在1500℃固溶時(shí)，穩(wěn)定劑的最小用量(摩爾分?jǐn)?shù))：MgO13.8%，CaO11.2%，Y2O36%。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷1294.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷穩(wěn)定劑少于此限，ZrO2不能全部形成立方晶系，得到不同比例的立方、四方、單斜相混合物或純四方相燒結(jié)物。這種ZrO2陶瓷為部分穩(wěn)定的ZrO2陶瓷(PSZ)

。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷130二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩(wěn)定劑鹽類的混合水溶液中加入氨等堿類物質(zhì)，產(chǎn)生氫氧化物共沉淀，干燥后經(jīng)800℃左右煅燒，得到與穩(wěn)定劑固溶的ZrO2粉末。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩(wěn)131如穩(wěn)定劑

得到混有穩(wěn)定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷如穩(wěn)定劑得到混有穩(wěn)定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.3132水解法。長時(shí)間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧化物，再煅燒得ZrO2粉末。如鋯鹽為ZrOCl·8H2O，則反應(yīng)為4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷水解法。長時(shí)間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧133如用有機(jī)醇鹽，則反應(yīng)方程如下得到結(jié)晶良好的ZrO2粉末。

4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷如用有機(jī)醇鹽，則反應(yīng)方程如下得到結(jié)晶良好的ZrO2粉末。134熱分解法：包括將含鋯鹽和穩(wěn)定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接熱解和將冷凍干燥的干燥物熱分解等三種方法。二氧化鋯制品分為穩(wěn)定二氧化鋯燒結(jié)體與部分穩(wěn)定二氧化鋯(PSZ)制品兩種。4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷熱分解法：包括將含鋯鹽和穩(wěn)定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接1351200200200001606004003001008040保溫時(shí)間/h斷裂能/(J/m3)斷裂強(qiáng)度/MPa圖4-3摻CaO的ZrO2(1000℃)保溫時(shí)間與斷裂強(qiáng)度、斷裂能的關(guān)系4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷120020020000160600400300100804136015501650100806040201250135014501150圖4-4Y2O3-ZrO2的燒結(jié)溫度與四方相含量的關(guān)系燒結(jié)溫度/℃四方相含量/%4.3典型的結(jié)構(gòu)陶瓷第四章結(jié)構(gòu)陶瓷015501650100806040201250135014137PSZ的用途：刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫(yī)用、工業(yè)用刀具，它不銹、無磁性、與生物親和。

滑動部件類：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、噴嘴、泵部件、粉碎