陶瓷材料简要介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,A,*,2,1,陶瓷材料,Ceramic,Material,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2,2,1,陶瓷的基本相,2,陶瓷的基本性能,3,陶瓷力学性能的检测方法,4,常见陶瓷,5,产品分析,目录,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2,3,1,陶瓷的基本相,1.1,晶相,1.2,玻璃相,1.3,气孔,Anming Li,Dept of MSE,hpu,气孔,晶相,玻璃相,陶瓷基本相,4,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,5,1.1,晶相,主要组成相，一般由离子键（,MgO,和,Al,2,O,3,）或共价键（,SiC,、,Si,3,N,4,）结合而成，其种类、数量、晶粒大小等对陶瓷的性能起决定性作用。,Anming Li,Dept of MSE,hpu,晶相种类及含量对陶瓷抗折强度的影响,瓷质,长石质瓷,强化长石质瓷,刚玉瓷,主晶相及含量,莫来石,20,30%,莫来石、刚玉,40,60%,刚玉,90%,抗折强度,/MPa,80,100,500,a.,晶相种类及含量对陶瓷强度的影响：,6,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,b.,晶粒大小对陶瓷强度的影响：,强度与晶粒尺寸的关系符合,Hall-Petch,关系式：,b,o,kd,-1/2,式中,o,为无限大单晶的强度，,k,为系数，,d,为晶粒直径。从上式可以看出，,细晶组织对提高材料的室温强度有利无害。,7,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,晶粒直径,/um,193.2,90.5,54.3,25.1,11.5,8.7,6.7,1.8,抗折强度,/Mpa,75.2,140.3,203.8,311.1,431.1,483.6,484.8,581,刚玉陶瓷,的晶粒尺寸与抗折强度,如,刚玉,陶瓷的晶粒尺寸大小对其抗折强度的影响。,8,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,9,1.2,玻璃相,非晶态固体，陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应后，形成液相，冷却凝固而成。,玻璃相作用,粘 结 晶 相,降低烧结温度,抑制晶粒长大,填 充 气 孔,缺点：,熔点低，热稳定性差，在较低温度下开始软化,.,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,1.3,气相：,气孔的影响：,i,：有害的影响：降低强度。,ii,：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤的多孔陶瓷。气孔率可达到,60%,。,10,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,高强度陶瓷的组织要求：,晶粒尺寸小，晶体缺陷少,晶粒尺寸均匀，等轴,晶界相含量适中，减少脆性玻璃相,减少气孔率,高强度陶瓷,块状,纤维,晶须,Al,2,O,3,280,2100,21000,不同截面大小陶瓷的强度值：,MPa,均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小,强度越高。,11,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,12,2,陶瓷的基本性能,2.1,力学性能,2.2,物理及化学性能,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2.1,力学性能,:,：,硬度,是各类材料中最高的。,陶瓷具有高硬度，大多在,1500HV,以上,。（淬火钢：,500-800HV,）,陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。,：,刚度,是各类材料中最高的。,：,强度,耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。,：,塑性,，,在室温几乎没有塑性。,：,韧性,差，,脆性,大。是陶瓷的最大缺点。,13,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2.2,物理及化学性能：,.,熔点：,具有高的熔点，多数在,2000,以上。,.,热膨胀：,线膨胀系数一般为,10,-5,到,10,-6,，结构 紧密，膨胀系数小。,.,抗热震性：,在温度急剧变化时抵抗破坏的能力；陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。,.,高的化学稳定性：,抗氧化，,1000,高温下不氧化；对酸、,碱、盐有良好的抗蚀性。,14,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,3,陶瓷力学性能的检测方法,3.1,硬度,3.2,弯曲强度,3.3,断裂韧性,15,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,3.1,硬度,硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。,通常采用的是维氏硬度与莫氏硬度,。,材料,Al,2,O,3,MgO,ZrO,2,BeO,B,4,C,SiC,ZrC,硬度,(HV),2000,1220,1700,1520-,4950,2550,2600,材料,TiC,WC,金刚石,Si,3,N,4,CBN,AlN,MoSi,2,硬度,(HV),3200,2400,10000,1700,7000,1450,1180,典型结构陶瓷材料维氏硬度,16,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,维氏硬度的测量,将一个相对夹角为,136,的正四棱锥金刚石压头在一定的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测定压痕两,对角,线的长度并取其平均值（,d,）计算压痕的实际面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用,HV,表示。经几何换算后得到：,HV-,维氏硬度符号；,P-,试验力，,N,；,d-,压痕两对角线,d1,、,d2,的算术平均值，,mm,17,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,莫,氏硬度表,分级,代表材料,分级,代表材料,分级,代表材料,1,滑石,2,石膏,3,方解石,4,萤石,5,磷灰石,6,正长石,7,石英玻璃,8,石英,9,黄玉,10,石榴石,11,熔融氧化铝,12,刚玉,13,碳化硅,14,碳化硼,15,金刚石,莫氏硬度,：,是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所,测,试样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。,18,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,3.2,弯曲强度,弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种,式中,为抗弯强度,(MPa),，,P,为加载载荷,(N),，,L,为支点跨距（,mm),，,b,为试样断口处宽度,(mm),，,h,为试样断口处高度,(mm),。,三点弯曲,强度测试示意图,19,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性,，常用的方法有单边切口梁法、压痕法、双扭法和双悬臂梁法。本节只简要介绍压痕法测定方法。,3.3,断裂韧性,20,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,21,用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求得,K,Ic,值。,压痕法,P,P,C,（左）和,P,P,C,（右）时压痕,（以,P,C,作为可是压痕产生裂纹的临界负荷）,Anming Li,Dept of MSE,hpu,压痕法,K,IC,是断裂韧性,为一常数，约等于,3,HV,是维氏硬度,a,为压痕对角线长度的一半,c,为表面裂纹长度的一半,22,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,4,常见陶瓷,4.1,普通陶瓷,4.2,特种陶瓷,4.2.1,氧化物陶瓷,4.2.2,氮化物陶瓷,4.2.3,碳化物陶瓷,23,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,原材料,粘土（,Al,2,O,3,2SiO,2,H,2,O,）,长石（,K,2,OAl,2,O,3,6SiO,2,；,Na,2,O Al,2,O,3,6SiO,2,）,石英（,SiO,2,）,4.1,普通陶瓷,坚硬，不氧化、不导电，成型性好,耐,1200,高温，成本低廉。,强度低，高温下玻璃相易软化。,性能,化工陶瓷,日用陶瓷,电工陶瓷,用途,建筑陶瓷,24,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,特种陶瓷，又称精细陶瓷，采用纯度较高的人工合成化合物（如,Al,2,O,3,、,ZrO,2,、,SiC,、,Si,3,N,4,、,BN,），经配料、成型、烧结而制得。按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷。,4.2,特种陶瓷,25,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,4.2.1,氧化物陶瓷：,1,）氧化铝陶瓷,以,-,Al,2,O,3,为主晶相，,根据,Al,2,O,3,含量和添加剂的不同，有不同系列。如根据,Al,2,O,3,含量不同可分为,75,瓷，,85,瓷，,95,瓷，,99,瓷等,;,根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉,-,莫来瓷和刚玉瓷,;,根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。,26,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,牌号,Al,2,O,3,（）,相对,密度,硬度,（莫氏）,抗压强度,Mpa,抗拉强度,Mpa,85,瓷,85,3.45,9,1800,150,96,瓷,96,3.72,9,2000,180,99,瓷,99,3.90,9,2500,250,性能：,Al,2,O,3,含量越高，性能越好，,氧化铝陶瓷的性能,27,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,28,应用,化学稳定性,：,A1,2,O,3,陶瓷与大多数熔融金属不发生反映，只有,Mg,Ca,Zr,和,Ti,在一定温度以上对其有还原作用,;,热的硫酸能溶解,A1,2,O,3,，热的,HCl,HF,对其也有一定腐蚀作用,。可作为,耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套，输送酸的管道内衬和阀门,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2,29,高硬度和耐磨性,：,在机械领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨零件、刀具。各种发动机中还大量使用,A1,2,O,3,陶瓷火花塞。,电绝缘性能和较低的介质损耗,：,氧化铝的含量高于,95%,的,Al,2,O,3,陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点，因而在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2,）氧化锆陶瓷,ZrO,2,有立方结构,(c,相,),、四方结构,(t,相,),及单斜结构,(m,相,),。根据所含相的成分不同，,ZrO,2,陶瓷可分为稳定,ZrO,2,陶瓷材料、部分稳定,ZrO,2,陶瓷。,30,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,稳定,ZrO,2,陶瓷,：,主要由立方相组成,耐火度高、比热与导热系数小,：,是理想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层。,化学稳定性好,：,高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀，但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第,V,VI,VII,族金属元素与其不发生反应，可以用来作为熔炼这此金属的坩埚。,31,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,32,强度，断裂韧性和抗热冲击性能非常高,：,被称为,“,陶瓷钢,”,。同时其热传导系数小，隔热效果好，而热膨胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在日前所研制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。,部分,稳定,ZrO,2,陶,瓷,：,由,四方和立方,双相组织组成,Anming Li,Dept of MSE,hpu,足够高的强度和耐磨性，又与光纤材料相似的线膨胀系数（,5,*,10,-6,/,），当环境温度发生变化时候，氧化锆陶瓷的收缩和膨胀和光纤基本相同，以保证光纤端面的紧密接触，防止光信号的损失。,光通讯用光纤陶瓷插芯,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,3,）氧化铍陶瓷,氧化铍陶瓷最大的特点是高导热率、高熔点（,2530,),、高强度、高绝缘性、高化学和热稳定性、高抗热冲击性，经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。,以,BeO,陶瓷为基板的,10cm,*,5cm,高密度电路,34,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,35,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,按制造工艺分,：,热压烧结氮化硅,（,-Si,3,N,4,）,陶瓷；,反应烧结氮化硅,（,-Si,3,N,4,）,陶瓷。,热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶,瓷有,20%,30%,气,孔,.,4.2.2,氮化物陶瓷,1,）氮化硅陶瓷,36,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,37,烧结工艺,优点,缺点,反应烧结,烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状,密度低，强度低，耐蚀性差,热压烧结,用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好,只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低,热压烧结和反应烧结氮化硅性能对比,Anming Li,Dept of MSE,hpu,特点：,（,1,）硬度高：,氮化硅的硬度高，,HV=18GPa21GPa,，仅次于金刚石、立方,BN,、,B,4,C,等少数几种超硬材料。,（,2,）摩擦因子小：,只有,0.1,0.2,，具有自润滑性；,（,3,）化学稳定性好：,抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀；,（,4,）较高的室温抗弯强度和断裂韧性,:,室温抗弯强度通常在,800-1050MPa,，断裂韧性为,6-7MPam,1/2,38,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,Si,3,N,4,轴承,应用：,热压烧结氮化硅用于形状,简单、精度要求不高的零件，如,切削刀具、高温轴承等,。,反应烧结氮化硅用,于形状复杂、尺寸,精度要求高的零件，,如机械密封环等。,汽轮机转子,叶片、气阀,39,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,2,）氮化铝,AlN,陶瓷,密度,3.26g/cm,3,，,无熔点，在,2200-2250,升华分解，热硬度很高，即使在分解温度前也不软化变形。,莫氏硬度,79,，强度,200300MPa,。最大的特点是导热率高，可达,200W/m.K,以上，是,A1,2,O,3,的,2-3,倍，热压时强度比,Al,2,O,3,还高,，,与单晶硅相匹配的热膨胀系数，以及高电阻率，,是理想的基片材料。,问题：难烧结，,成本高,(,气氛保护等等,),40,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。,特点,具有很高的熔点（,3000,以上,）,高硬度,（硬度,B,4,C,的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼,）,耐高温氧化能力差，脆性极大,4.2.3,碳化物陶瓷,41,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,碳化硅陶瓷,碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为,3.210,3,kgm,-3,，弯曲强度和抗压强度分别为,200,250MPa,和,1000,1500MPa,，硬度为莫氏,9.2,。,特点：,热导率高，而热膨胀系数小。,应用：,常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。,42,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。,SiC,喷嘴,SiC,陶瓷件,SiC,轴承,43,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,谢谢,44,Anming Li,Dept of MSE,hpu,2025/4/20 周日,