材料科学基础课程课件-第14章-陶瓷材料.ppt

1、主讲教师：施钢班级：08材料B2010年6月1日厦门理工学院 概述 陶瓷的分类 陶瓷材料的制备 陶瓷材料的增韧 普通陶瓷原料 陶瓷材料的结构与性能 常用陶瓷材料简介 粉末冶金材料简介 教学要求：1、了解陶瓷材料的发展与分类 2、掌握陶瓷材料的制备过程 3、掌握陶瓷材料的性能特点与增韧方法 4、了解普通陶瓷原料 5、了解陶瓷材料的结构 6、了解常用陶瓷材料的应用 7、了解粉末冶金材料技术 教学的重点与难点 陶瓷材料的制备过程、性能特点与增韧方法。陶瓷（Ceramics)：无机非金属材料的总称。古老又现代的工程材料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等优点。陶瓷材料的发展的三次重大飞跃。从陶器发展到

2、瓷器 从传统陶瓷发展到先进陶瓷 从先进陶瓷发展到纳米陶瓷 按其原料的来源分：普通陶瓷（传统陶瓷）：以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），经过原料加工、成型、烧结而成，又称硅酸盐陶瓷。特种陶瓷（先进陶瓷）。采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。玻璃1.1.坯料制备坯料制备 原料粉碎原料粉碎 精洗（去掉杂质）精洗（去掉杂质）磨细（达到一定粒度）磨细（达到一定粒度）配料配料（保证制品性能）（保证制品性能）脱水（控制坯料水分）脱水（控制坯料水分）炼坯、陈腐（去除空气）炼坯、陈腐（去除空气）2.2.成型成型 （1 1）可塑法）可

3、塑法 （2 2）注浆法）注浆法 （3 3）压制法）压制法 3.烧结 生坯在高温加热时发生一系列物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分解，有机物及碳化物的气化，晶体转型及熔化），并使生坯体积收缩，强度、密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。即陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的过程。常见的烧结方法有热压或热等静压法、液相烧结法、反应烧结法。原料原料:长石(化学成份 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O 其它)石英(化学成份 SiO2，常含有少量Al2O3、CaO、Mg0等)粘土(化学成分 硅铝氧化物和水,莫来石3Al2O32SiO3的主要来源）高龄土（化学成分 硅酸

4、铝水合物 A12O32SiO22H2O)绢云母（化学成分 SiO2,Al2O3,K2O+Na2O，H2O 43.13-49.04%,27.93-37.44%,9-11%,4.136.12%)滑石(化学成分 3MgO4 SiO2 H2O)石灰(化学成分 CaO)尖晶石(化学成分FeOA12O3,MgOA12O3)加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3，ZrO2等）提高强度和热稳定性；加入（SiC等）提高导热性。(1)(1)硬度硬度 是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)(2)刚度刚度 是各类材料中最高的（

5、塑料1380MPa，钢207000MPa)(3)(3)强度强度 理论强度很高（E/10-E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。（E/1000-E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度较高的高温强度。(4)(4)塑性塑性：在室温几乎没有塑性。(5)(5)韧性差，脆性大韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。(6)(6)热膨胀性低热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）(7)(7)热稳定性热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中

6、不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）(8)(8)化学稳定性化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9)(9)导电性导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)(10)其它：其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。现有原料:石英(Si02)、菱镁矿(MgCO3）、橄榄石（2FeOSiO2,2MgO SiO2)，橄榄石中含有15%的FeO。要求产品在1700C以下不软化。微观组织：结晶相、玻璃相、气相。结晶相：主要组成相。有氧化物、硅酸盐、非氧化物三种晶体结构。(a)氯化銫 (b)氯化鈉

7、(c)閃鋅盐 (d)氟石 (e)纤矿盐 玻璃相：非晶态低熔点物质。利：粘结作用，降低烧结温度，填充气孔间隙，一定程度玻璃特性。弊：降低强度、热稳定性。气相：利：隔热性能提高。弊：强度大大降低。陶瓷材料的脆性本质：1、共价键、离子键的破坏。滑移系少，难以通过滑移引起塑性变形。2、烧结方法制备，显微结构上难免存在气孔等缺陷，引起应力集中。增韧途径：1、减少裂纹 2、相变增韧 3、纤维增韧 4、细晶强化氧化铝陶瓷 Al2O3少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。性能与应用：v 1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导

8、流罩；v 2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；v 3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电 路基板，管座；v 4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；v 5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。v 6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。碳化硅陶瓷:以SiC为主要成分的陶瓷。v 具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，工作温度可达1700；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。v 制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保

9、护套管、炉管、核燃料包封材料等。玻璃：介于结晶态和无定型态之间的一种物质状态，称为玻璃态物质。主主 要要原原 料料反应反应条件条件玻璃窑中发生的主要反应玻璃窑中发生的主要反应成分成分纯碱纯碱石灰石石灰石石英石英高高 温温Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2 =CaSiO3+CO2 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2种种 类类特特 性性用用 途途普通玻璃再高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光化学仪器，高压水银灯，紫外灯，光导纤维，压电晶体等光学玻璃透光性能好，有折光和色散性眼镜片，照相机，显微镜，望远镜用凸凹透镜等光学仪器

10、玻璃纤维耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫太空飞行员的衣服，玻璃钢等钢化玻璃耐高温，耐腐蚀，强度大，质轻，抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车，火车窗玻璃等q铁电陶瓷 有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。q 压电陶瓷 铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为压电陶瓷。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。

11、压电陶瓷在工业、国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件等。利用压电效应将机械能转换为电能或把电能转换为机械能的元件称为换能器。q 半导体陶瓷 导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要有钛酸钡陶瓷，具有正电阻温度系数，应用非常广泛。如用于电动机、收录机、计算机、复印机、变压器、烘干机、暖风机、电烙铁、彩电消磁、燃料的发热体、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。q 氧化锆固体电解质陶瓷 ZrO2中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。q 生物陶瓷 氧化铝陶

12、瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相容性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。钛矿氧化物燃料电池有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大 大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。具有气体通道的固体氧化物燃料电池具有气体通道的固体氧化物燃料电池中国专利号：200310100538.1 纳米陶瓷制备:关键是如何获得纳米粉体。1、气相法。纯度较高，团聚较少，烧结性能较好。但产量低，设备昂贵。2、液相法：设备较简单，粉体较纯，团聚少，易工业化生产。3、固相法：所用设

13、备较简单，方便操作。但纯度较低，料度分布较广。素坯的成型方法：传统方法：干压成型、离心注浆法、挤压法、注射法 新型方法：凝胶注膜法、直接凝固注模成型。烧结：陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的过程。关键是如何在控制晶粒长大很少的前提下实现致密化。烧结温度比传统陶瓷材料约低,烧结过程也大大缩短。烧结方法：（传统）无压烧结、热压烧结仍广泛使用。（新）微波烧结、等离子体烧结、高压烧结、爆炸烧结性能特点：高强度：纳米TiO2陶瓷的显微硬度是普通TiO2陶瓷的显微硬度六倍。高韧性：超塑性：四方二氧化锆中加入 Y2O3的纳米陶瓷材料中已观察到800%超塑性。粉末冶金:用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混

14、合物）作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。粉末冶金工艺 制粉:加工、退火、分级、混合、干燥 成形：制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度 烧结：得到所要求的物理机械性能 后处理：如精整、浸油、机加工、热处理 From MPIF website 现代粉末冶金发展中有着三个重要标志。第一是克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。1909年制造电灯钨丝（钨粉成形、烧结、再锻打拉丝），推动了粉末冶金的发展。1923年又成功地制造了硬质合金，硬质合金的出现被誉为机械加工工业中的革命。第二是本世纪30年代用粉末冶金方法制取多孔含油轴承取得成功。

15、这种轴承很快在汽车、纺织、航空等工业上得到了广泛的应用。继之，发展到生产铁基机械零件，发挥了粉末冶金无切屑、少切屑工艺的特点。第三是向更高级的新材料新工艺发展。40年代，新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料。60年代末到70年代初，粉末高速钢、粉末超合金相继出现，粉末冶金锻造已等不断出现。能制造高强度零件。粉末冶金材料具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展 中起着举足轻重的作用。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。易实现多种类型的复合，充

16、分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料，例如，钨 铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等；能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善；粉末冶金在解决材料领域问题的范围是很广泛的。就材料成分而言，有铁基粉末冶金、有色金属粉末冶金、稀有金属粉末冶

17、金等。就材料性能而言，既有多孔材料，又有致密材以上的铁的硬度相当于铅）；既有重合料；既有硬质材料，又有很软的材料（如孔隙度金，也有很轻的泡沫材料；既有磁性材料，也有其他性能材料（如原子能控制材料）。就材料类型而言，既有金属材料，又有复合材料。复合材料广义地说，包括金属和金属复合材料、金属和非金属复合材料、金属陶瓷复合材料、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。粉末冶金由于在技术上和经济上有优越性，在国民经济中起的应用愈来愈广。可以说，现在没有哪一个工业部门不使用粉末冶金材料和制品的。粉末注射成形技术的特点PIM作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有常规和机加工方法比拟的优势。PIM能制造许多具有复杂形状特征的零件：如各种外部切槽，外螺 纹，锥形外表面，交叉通孔、盲孔，四台与键销，加强筋板，表面滚花等等，具有以上特征的零件都是无法用常规粉末冶金方法得到的。教学要求：1、了解陶瓷材料的发展与分类 2、掌握陶瓷材料的制备过程 3、掌握陶瓷材料的性能特点与增韧方法 4、了解普通陶瓷原料 5、了解陶瓷材料的结构 6、了解常用陶瓷材料的应用 7、了解粉末冶金材料技术 教学的重点与难点 陶瓷材料的制备过程、性能特点与增韧方法。