材料的科學魅力與社會進步2-非金屬材料(材料與社會4)市公開課一等獎省賽課微課金獎課件

第二章材料科學魅力與社會進步主講教師：孫士斌第1頁材料科學基礎無所不在金屬材料古老又年輕陶瓷材料博采眾長復合材料本章主要內(nèi)容第2頁二、古老又年輕陶瓷材料第3頁古老陶瓷人類最早、最偉大文明創(chuàng)造。自然物質(zhì)與人類精神完美結(jié)合。新石器時代標志。中華文明偉大象征之一。第4頁陶器是用黏土或陶土為胎，經(jīng)手制、輪制、模制等方法加工成型后，在800—1000?C高溫下焙燒而成物品。亦稱陶俑，是經(jīng)典陶制品。

秦兵馬俑第5頁

經(jīng)過了幾千年發(fā)展，出現(xiàn)了瓷器。從陶到瓷，在技術(shù)上主要實現(xiàn)了三大突破：瓷土發(fā)覺和利用瓷土與陶土相比，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO等稱為助熔劑物質(zhì)顯著降低，SiO2含量也降至70%以下，而Al2O3含量顯著增加。釉創(chuàng)造和創(chuàng)新釉是覆蓋在瓷器表面一個玻璃態(tài)物質(zhì)，它是用礦物（長石、方解石、石英、滑石、高嶺土等）和顏料按照一定百分比配制而成，用各種方法施于陶瓷胚體表面。燒制溫度提升燒制溫度從800～1000℃提升到1200℃以上，對應配套出現(xiàn)了窯爐。高溫使釉料被熔融并均勻地覆蓋在瓷器表面，冷卻后之地堅硬、光滑、不沾污、高度絕緣、色彩艷麗感人。第6頁最早出現(xiàn)于距今3000多年前商周，后經(jīng)過近1000年發(fā)展，到漢代已日趨成熟，在唐、宋、元、明、清歷代，造瓷技術(shù)水平登峰造極。第7頁陶瓷定義陶瓷—是用天然或人工合成粉狀化合物，經(jīng)過成型和高溫燒結(jié)制成，由無機化合物組成多相固體材料。狹義定義：以粘土為主要原料，經(jīng)高溫燒制制品，包含陶器，瓷器和熾器等。廣義定義：經(jīng)高溫燒制無機非金屬材料總稱，包含磚瓦、耐火材料、玻璃、水泥、石墨以及各種碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等。第8頁

陶瓷性能(1)硬度是各類材料中最高。

（高聚物<20HV，淬火鋼500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)強度理論強度很高：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）較高高溫強度。(3)塑性極差：在室溫幾乎沒有塑性，韌性差，脆性大，是陶瓷最大缺點。(4)熱膨脹性低，導熱性差，很好絕熱材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）。(5)熱穩(wěn)定性—抗熱振性，在不一樣溫度范圍波動時不破裂所能承受最高溫度。陶瓷抗熱振性很低（比金屬低多，日用陶瓷220℃）。(6)化學穩(wěn)定性好：耐高溫，耐腐蝕（抗液體金屬、酸、堿、鹽）(7)導電性：大多數(shù)是良好絕緣體，也有不少半導體（ZnO，TiO2等）。第9頁陶瓷分類（依據(jù)成份）按化學成份分類，陶瓷可分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷和復合陶瓷。氧化物陶瓷包含Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、CeO2、Cr2O4等。碳化物陶瓷包含SiC、B4C、WC、TiC、Cr3C2等。氮化物陶瓷包含Si3N4、AlN、TiN、BN等。硼化物陶瓷包含TiB2、ZrB2等。第10頁陶瓷分類（依據(jù)性能）按原料、性能和應用不一樣，陶瓷可分為傳統(tǒng)陶瓷和當代陶瓷。傳統(tǒng)陶瓷也稱普通陶瓷，包含日用器皿、建筑和衛(wèi)生用具等。當代陶瓷也稱工程陶瓷、特種陶瓷或精細陶瓷，分為結(jié)構(gòu)陶瓷、功效陶瓷和生物陶瓷三類。第11頁1、氧化物陶瓷1）氧化鋁陶瓷成份：Al2O3＋少許SiO2依據(jù)Al2O3質(zhì)量分數(shù)不一樣，氧化鋁陶瓷能夠分為75瓷(75%Al2O3)、95瓷(95%Al2O3)和99瓷(99%Al2O3)。Al2O3含量大于46%氧化鋁陶瓷稱為高鋁陶瓷，Al2O3含量為90-99.5%氧化鋁陶瓷稱為剛玉瓷。第12頁氧化鋁陶瓷，尤其是剛玉陶瓷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，含有很高耐熱性，能夠在1600?C下長久使用，蠕變小，而且不會氧化。氧化鋁陶瓷含有優(yōu)良電絕緣性和耐蝕性，在酸、堿腐蝕介質(zhì)中能夠安全工作。氧化鋁陶瓷硬度較高，其硬度僅次于金剛石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅。氧化鋁陶瓷原料豐富，分布范圍廣。氧化鋁陶瓷缺點是脆性大，耐沖擊性差。氧化鋁性能第13頁氧化鋁耐高溫噴嘴Al2O3化工、耐磨陶瓷配件氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機火花塞，火箭、導彈整流罩及軸承等。第14頁氧化鋁耐火磚氧化鋁軸承陶瓷套管第15頁2）二氧化硅陶瓷存在形成：硅石瑪瑙水晶石英分為:晶體（石英和水晶），無定形（硅藻土）二氧化硅用于制造平板玻璃、石英玻璃、水玻璃、光導纖維、光學儀器、工藝品和耐火材料原料，是科學研究主要材料。石英砂慣用作玻璃原料和建筑材料。自然界里比較稀少水晶可用以制造電子工業(yè)主要部件、光學儀器和工藝品。較純凈石英，可用來制造石英玻璃。石英玻璃膨脹系數(shù)很小，相當于普通玻璃1/18，能經(jīng)受溫度劇變，耐酸性能好（除HF外），所以慣用來制造耐高溫化學儀器。第16頁二氧化硅石英玻璃瑪瑙首飾石英手表石英鐘高級工藝品眼鏡精密儀器軸承光導纖維第17頁2、碳化物陶瓷碳化物熔點/oC密度/g·cm-3電阻率/

·cm熱導率/W·m-1·K-1硬度莫氏顯微硬度/HvSiC（α）3.210-5~101333.4SiC（β）2100(相變)3.21107~2009.23320B4C24502.510.3~0.828.89.34950TiC31604.941.8~2.5x10-417.18-92850HfC388712.21.95x10-422.22910ZrC35706.447x10-520.58-92840WC286515.501.2x10-591730第18頁各種碳化物開始強烈氧化溫度碳化物TiCZrCTaCNbCVCMo2CWCSiC強烈氧化溫度/℃1100~1400800~1100500~8001300~1400碳化物在非常高溫度下均會發(fā)生氧化，但許多碳化物抗氧化能力都比W、Mo等高熔點金屬好，這是因為在許多情況下碳化物氧化后所形成氧化膜含有提升抗氧化性能作用。第19頁1）碳化硅陶瓷（SiC）硬度高(Hv=2840-3320)，強度好(室溫300~500MPa,1400℃不下降)，熱導率高(120W/m.K)，抗氧化性好(在空氣中可在1500℃以下長久使用)。原料制備方法：化正當、碳熱還原法、氣相沉積法、自蔓延高溫合成法、有機硅前驅(qū)體法。SiC陶瓷制備方法：熱壓燒結(jié)、常壓燒結(jié)、反應燒結(jié)等。第20頁領域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點石油工業(yè)高溫、高液壓、研磨噴嘴、軸承、密封、閥片耐磨化學工業(yè)強酸、強堿密封、軸承、泵零件、熱交換器耐磨、耐蝕、氣密性高溫氧化氣化管道、熱電偶套管耐高溫腐蝕能源工業(yè)發(fā)動機燃燒燃燒器部件、渦輪增壓轉(zhuǎn)子、燃氣輪機葉片、噴嘴低摩擦、高強度、低慣性、抗熱震碳化硅陶瓷應用領域第21頁工業(yè)領域使用環(huán)境用途主要優(yōu)點機械、礦業(yè)研磨噴砂嘴、內(nèi)襯、泵零件耐磨造紙工業(yè)紙漿廢液密封、管套、軸承、成形板耐磨、耐蝕、低摩擦熱處理、煉鋼高溫氣體熱電偶套管、輻射管、熱交換器耐熱、耐蝕、氣密性核工業(yè)含硼高溫水密封、軸套耐輻射微電子工業(yè)大功率散熱封裝材料、基片導熱、絕緣激光大功率高溫反射屏高剛度,穩(wěn)定第22頁碳化硅窯具制品碳化硅高溫陶瓷再結(jié)晶碳化硅輥棒與橫梁碳化硅渦輪轉(zhuǎn)子碳化硅滑動軸承第23頁2）碳化硼陶瓷（B4C）B4C硬度在自然界中僅次于金剛石和立方氮化硼，尤其是近于恒定高溫硬度(>30GPa)是其它材料無可比擬，故成為超硬材料家族中主要組員。在B4C中，硼與碳主要以共價鍵相結(jié)合(>90%)，含有高熔點、高硬度、高模量、容重小(2.52g·cm-3)、耐磨、耐酸堿腐蝕等特點，并含有良好中子、氧氣吸收能力，較低膨脹系數(shù)(5.0x10-6K-1)、良好熱電性能，是一個主要結(jié)構(gòu)陶瓷材料。第24頁碳化硼--精細高級研磨材料。因為碳化硼研磨效率高，作為研磨介質(zhì)主要用于材料磨細工藝中，如：寶石、陶瓷、刀具、軸承、硬質(zhì)合金等硬質(zhì)材料磨削、研磨、鉆孔及拋光等。碳化硼--工業(yè)陶瓷材料首選。由碳化硼粉末壓制成制品：噴砂嘴、密封環(huán)、噴管、軸承、泥漿泵柱塞和火箭發(fā)射架、軍艦、直升飛機陶瓷途層等作為一個新型材料，含有高熔點、高硬度、高彈性模量、耐磨力強、自潤性好等特點而被廣泛用于噴砂機械、電子、信息、航空航天、汽車等行業(yè)。B4C陶瓷應用第25頁碳化硼屏蔽和控制材料--核工業(yè)安全保障。碳化硼材料因為其含有較大熱中子俘獲截面，含有極好吸收中子和抗輻射性能，被國際公認推薦為最正確核反應堆控制材料和屏蔽材料。碳化硼防彈裝甲--增強國防力量。因為強度高、比重小、尤其適合在輕質(zhì)防彈裝甲中使用，如飛機、車輛、艦船和人體防護。碳化硼合金粉末--提升機械零部件壽命。將碳化硼粉末同金屬結(jié)合生成金屬為基合金粉末，經(jīng)過這種材料做特殊表面處理，使原有機械零部件愈加耐磨損且抗酸堿腐蝕性增強。

第26頁碳化硼特種吸收體—提供能力遨游太空。

有：“黑金子”之稱碳化硼，以粉末狀態(tài)應用在能源上，作為傳送火箭固體燃料。碳化硼添加劑—化工行業(yè)好搭檔。

因為化學性能穩(wěn)定，碳化硼與酸、堿溶液不起反應，含有高化學位，所以被大量用于生產(chǎn)其它含硼材料，如硼化鋯、硼化鈦等。碳化硼—高級耐火材料必不可少。

因為碳化硼含有抗氧化、耐高溫特征，被用作高級定形和不定形耐火材料廣泛應用在冶金各個領域，如鋼鐵爐具、窯具等。第27頁3）碳化鈦陶瓷（TiC）TiC屬面心立方晶型，熔點高。TiC陶瓷強度較高，導熱性很好，硬度大?；瘜W穩(wěn)定性好，不水解，高溫抗氧化性好(僅次于SiC)。在常溫下不與酸起反應，但在硝酸和氫氟酸混合酸中能溶解，于1000℃在氮氣氛中能形成氮化物。第28頁TiC陶瓷硬度大，是硬質(zhì)合金生產(chǎn)主要原料，TiC和TiN、WC、Al2O3等原料制成各類復相陶瓷材料，可用于制造耐磨原料、切削刀具材料、機械零件等，還可制作熔煉錫、鉛、鎘、鋅等金屬坩堝。透明TiC陶瓷是良好光學材料。多孔TiC陶瓷可作為耐高溫材料以及用來制作過濾器和光催化材料，當TiC空隙率在50％時，很適適用做人造骨骼。碳化鈦陶瓷應用第29頁

刀具材料發(fā)展與進步對人類文明史有著主要影響，刀具使用作為劃分遠古人類歷史發(fā)展時期標志。在新石器時代，人類開始采取打磨石料作刀具；以后青銅和鐵刀工具出現(xiàn)也成為古代人類歷史發(fā)展階段標志。在歷史上，刀具發(fā)展走過了漫長歷程，不過，從1850年至今一百余年來，刀具材料取得快速發(fā)展。

1898年高速鋼工具問世，1923年德國研制成功WC-Co硬質(zhì)合金，并于1927年開始工業(yè)化生產(chǎn)，使切削加工技術(shù)歷史發(fā)生了兩次革命性進步。陶瓷刀具第30頁第31頁1905年德國人開始了用氧化鋁制作陶瓷刀具研究，1912年英國首獲Al2O3陶瓷刀具專利。不過，直到20世紀50年代陶瓷刀具才真正到達實用化。20世紀70年代人們研制成功了Al2O3+TiO2系統(tǒng)復合陶瓷刀具，使Al2O3陶瓷刀具走出了遲緩發(fā)展低谷，成為處理超硬材冷加工一個新型刀具材料。20世紀70年代初美國生產(chǎn)多晶金剛石刀具和多晶立方氮化硼刀具開始投放市場。20世紀80年代初清華大學用熱壓氮化硅陶瓷和英國Lucas企業(yè)用Sialon陶瓷（Si3N4和Al2O3固溶體）制作刀具都取得良好切削效果。20世紀90年代以來，像納米顆粒和晶須增強陶瓷刀具、陶瓷涂層刀具、梯度功效陶瓷刀具、超硬刀具材料等都得到了快速發(fā)展，促進了加工制造業(yè)技術(shù)進步。第32頁陶瓷刀具與傳統(tǒng)高速鋼和硬質(zhì)合金刀具相比，含有更加好紅硬性和耐磨性。與超硬材料金剛石和CBN相比，它含有更低制造成本、更加好熱穩(wěn)定性和抗沖擊能力。刀具材料發(fā)展趨勢第33頁3、氮化物陶瓷

氮是含有最高電負性元素之一，只有氧，氟和氯比它更高。這就意味著氮化物由一大組化合物組成。

潤滑劑，如HBN

切割材料，如Si3N4，CBN

絕緣體，如HBN，Si3N4

半導體，如GaN

金屬鍍膜，如TiN，AlN

儲氫材料，如Li3N第34頁1）氮化硅陶瓷（Si3N4）氮化硅陶瓷強度高，韌性好，是最好陶瓷材料之一。氮化硅陶瓷有高電阻率，高介電常數(shù)，低介質(zhì)損耗,可用作電路基片，高溫絕緣體，電容器，雷達天線等。氮化硅有優(yōu)良化學穩(wěn)定性。氮化硅硬度高，摩擦系數(shù)低。良好高溫抗氧化性。第35頁氮化硅陶瓷應用氮化硅基陶瓷刀具：

(1)高硬度。Si3N4陶瓷刀片室溫硬度值到達莫氏硬度9級，大大提升了切削能力和耐磨性。

(2)高強度。Si3N4陶瓷刀片抗彎強度當前可達900－1000MPa，其抗壓強度也與普通硬質(zhì)合金相當。

(3)高耐熱性和抗氧化性。Si3N4陶瓷刀具高溫性能尤其好，在1000℃強度幾乎不下降，即使在1200－1450℃切削高溫下仍保持一定硬度、強度進行長時間切削。

(4)高抗熱震性?？篃嵴鹦允侵覆牧显诔惺芗眲囟雀淖儠r，其抗破損能力主要指標。Si3N4陶瓷刀具含有較高抗彎強度、較高導熱率，低熱膨脹系數(shù)，中等彈性模量，所以其抗熱震性好。第36頁氮化硅陶瓷軸承

氮化硅陶瓷球軸承有兩種形式。一個是滾珠(球)為陶瓷材料，內(nèi)外圈仍為軸承鋼制造，稱為混合式球軸承;另一個是滾珠和內(nèi)外圈都為陶瓷材料，稱為全陶瓷球軸承?；旌鲜角蜉S承第37頁2）氮化硼陶瓷（BN）

氮化硼（BN）共有三種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別是六方氮化硼（HBN），密排六方氮化硼（WBN）和立方氮化硼（CBN）。WBN和CBN是由HBN在高溫、高壓下轉(zhuǎn)變而成，HBN在常壓下是穩(wěn)定相，WBN和CBN是高壓穩(wěn)定相，在常壓下是亞穩(wěn)相。

第38頁六方氮化硼（HBN）含有類似石墨層狀結(jié)構(gòu)，顏色為白色，所以向來有白石墨之稱。第39頁

立方氮化硼（簡稱CBN）硬度僅次于金鋼石，但熱穩(wěn)定性遠高于金鋼石。磨削性能十分優(yōu)異，其出現(xiàn)造成磨削發(fā)生革命性改變，是磨削技術(shù)第二次飛躍。立方氮化硼砂輪和刀具第40頁三、博采眾長復合材料第41頁由兩種以上不一樣原材料組成，使原材料性能得到充分發(fā)揮，并經(jīng)過復合化而得到單一材料所不具備性能材料。復合材料定義第42頁必須由兩種以上化學、物理性質(zhì)不一樣材料組合而成必須是人造，是人們依據(jù)需要設計制造材料經(jīng)過各組分性能互補可取得單一材料不能到達綜合性能123三個必要條件第43頁復合材料特點第44頁材料A＋材料B+···材料C基體Matrix增強相Reinforcement＋主要組份，粘結(jié)、保護增強相并把外加載荷造成應力傳遞到增強相上去其它組份，主要承載相，并起著提升強度(或韌性)作用復合材料組成第45頁基體陶瓷聚合物金屬增強體晶須顆粒纖維按照基體分類按照增強體分類復合材料分類第46頁幾何形狀纖維顆粒板狀復合材料分類SiC晶粒

Al2O3纖維Al2O3板狀第47頁復合材料金屬基復合材料（如鋁基、銅基、鎂基和鈦基等）木基復合材料有機材料基復合材料無機非金屬基復合材料聚合物基復合材料陶瓷基復合材料混凝土基復合材料碳基復合材料熱塑性樹脂基熱固性樹脂基按基體材料分類第48頁增強材料晶須增強材料氧化物顆粒：Al2O3，SiO2顆粒增強材料纖維增強無機纖維：碳，硼，SiC，Al2O3有機纖維：芳綸，聚乙烯，尼龍金屬纖維：不銹鋼，W，Mo按增強體材料分類陶瓷晶須：SiC，TiC金屬晶須：Cr,Fe,Cu非氧化物顆粒：SiC，TiC，B4C硅酸鹽顆粒：高嶺土，滑石第49頁玻璃纖維玻璃纖維生產(chǎn)流程圖將熔化玻璃以極快速度抽拉成細微絲，即成為玻璃纖維。細度在3.8～21.6μm,脆性與直徑四次方成正比。第50頁航空航天領域中，為取得高比強度和高比彈性模量，開發(fā)新型纖維------硼纖維。硼熔點在℃以上，硬度僅次于金剛石。硼纖維類型拉伸強度彈性模量比重硼纖維3.6GPa400GPa2.57碳纖維3.53GPa370GPa3第51頁航天飛機機身衍架用硼／鋁復合材料管材制造，取得減重20～66％效果。航天飛機貨倉間隔支柱，可減重44％。美國P&W企業(yè)在JT8D發(fā)動機上用硼／鋁復合材料取代鈦合金，可減重10％。硼纖維在航空航天領域應用效益航天飛機內(nèi)MMC(Al/B纖維)桁架第52頁將有機纖維燒結(jié)后得到一個含碳量在90％以上纖維。其質(zhì)輕而強度高，含有良好潤滑及耐磨性能，其價格約為硼纖維十分之一。碳纖維第53頁第54頁土房---草增強泥基復合材料

鋼筋混凝土建筑框架玻璃纖維撐桿第55頁復合材料在航天領域中應用主貨艙門----

碳纖維/環(huán)氧樹脂壓力容器----

凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂主機隔框和翼梁---硼/鋁復合材料“哥倫比亞號”航天飛機發(fā)動機噴管----

碳