结构陶瓷课件.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,*,*,特种陶瓷,第,5,章,结构陶瓷,1,内容,本讲主要内容,2,特种陶瓷的力学性能,1,概述,3,氧化物陶瓷,4,非氧化物陶瓷,2,特种陶瓷,功能陶瓷,结构陶瓷,非氧化物陶瓷,磁性陶瓷,氧化物陶瓷,电介质陶瓷,压电陶瓷,敏感陶瓷,超导陶瓷,生物陶瓷,1,概述,3,常见结构陶瓷分类,结构陶瓷,材料举例,氧化物陶瓷,Al,2,O,3,、,ZrO,2,、,MgO,、,BeO,等,非氧化物陶瓷,碳化物,SiC,、,TiC,、,BC,、,WC,、,ZrC,等,氮化物,Si,3,N,4,、,AlN,、,BN,、,TiN,、,ZrN,、,Sialon,等,硼化物,ZrB,2,、,WB,、,TiB,2,等,硅化物,MoSi,2,等,氟化物,CaF,2,、,BaF,2,、,MgF,2,等,硫化物,ZnS,、,TiS,2,碳和石墨,C,1,概述,4,结构陶瓷：主要是利用到陶瓷的,力学性能,。,力学性能主要包括：,强度,塑性,韧性,蠕变,弹性,硬度,1,概述,5,陶瓷材料的变形特性,1-,纯金属,2-,陶瓷,3-,高弹性材料,应力,受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。,应变,一微小材料元素承受应力时所产生的单位长度变形量。,1,概述,6,陶瓷形变的特点,1,）在极微小的应变下立即出现脆性断裂，伸长率和收缩率都几乎为零。,2,）压缩时的弹性模量大大高于拉伸时的弹性模量。,键合很强的离子键和共价键，有明显的方向性，因此滑移系很少。,弹性模量,E,是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。,1,概述,7,强度,抗压强度,材料在单向受压力作用破坏时，单向面积上所承受的荷载。,材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。,抗拉强度,抗弯（折）强度,指材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的强度。,2,力学性能,8,陶瓷的脆性断裂,实际材料的强度只有理论强度的,1/101/100,。,材料内部存在原始裂纹，当材料受力时，在裂纹尖端处产生应力集中，如果尖端处的应力超过材料的理论强度时，裂纹就迅速扩展，最后使材料断裂。,格里菲斯,Griffith,脆性断裂理论,2,力学性能,9,断裂韧性（,K,IC,）,指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量,张开型（,I,）滑开型（,II,）撕开型（,III,）,2,力学性能,10,E,：弹性模量,g,：断裂能,根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以借助于对裂纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。,2,力学性能,从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：,提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；,减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。,11,陶瓷增韧机理,2,力学性能,12,硬度,固体材料对外界物体压陷、刻划等作用的局部抵抗能力，是衡量材料软硬程度的一个指标。,划痕硬度,压入硬度,回跳硬度,2,力学性能,13,维氏硬度（,HV,）,以,49.03980.7N,的负荷,将相对面夹角为,136,的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。,HV10,：,P,为载荷，如,10kg,。,d,为压痕对角线长度,(mm),。,2,力学性能,14,氧化物陶瓷,氧化物,熔点,氧化铝,2050,氧化锆,2700,氧化镁,2800,氧化铍,2530,氧化钙,2570,氧化硅,1728,高熔点氧化物陶瓷：熔点超过,SiO,2,熔点,(1728,o,C),。,3,氧化物陶瓷,15,3.1,氧化铝陶瓷,主要内容：,（,1,）概述,（,2,）粉末的制备,（,3,）陶瓷的制备,（,4,）性能与应用,3,氧化物陶瓷,16,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.1,概述,T,m,=2050,o,C,莫氏硬度：,9,体积密度：,3.96g/cm,3,抗弯强度：,300-800MPa,弹性模量：,300GPa,比体积电阻：,10,14,17,Al2O3,晶型转变,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,K,2,O,Na,2,O,CaO,BaO,-Al,2,O,3,(Na,2,O,11Al,2,O,3,，,CaO,6Al,2,O,3,),1600,o,C,12001300,o,C,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.1,概述,18,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.2,粉体制备,19,制备工艺,原料煅烧,磨料,配料混料,塑化,成型,干燥,修坯,烧结,表面处理,性能检测,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.3,陶瓷制备,20,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.3,陶瓷制备,影响因素,21,（,1,）氧化铝含量,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.3,陶瓷制备,22,（,2,）粉体粒度和添加剂含量,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.3,陶瓷制备,23,（,3,）成型方式与性能,成型方式,成型压力,（,MPa,）,抗弯强度（,MPa,）,1420,o,C,1440,o,C,1460,o,C,模压成型,100,214,265,289,等静压,100,397,453,485,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.3,陶瓷制备,24,（,4,）烧结气氛与性能,气氛,烧结温度（,o,C,）,1300,1350,1400,1450,H2,89.6,98.7,90.8,85.4,N2,87.6,90.9,90.6,85.6,Air,78.1,88.0,80.3,75.0,硬度（,HR15N,）,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.3,陶瓷制备,25,1,）高强度高稳定性：装饰瓷、喷嘴、火箭导弹的引流罩,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.4,用途,26,2,）高硬度、高耐磨性：切削工具、模具、磨料、轴承、人造宝石,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.4,用途,27,3,）熔点高，抗腐蚀：耐火材料、坩埚、炉管、热电偶保护套等,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.4,用途,28,4,）透明氧化铝：钠灯管、全瓷牙等,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.4,用途,29,5,）电绝缘性：电介质陶瓷,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.4,用途,30,6,）导电陶瓷（,b,-,氧化铝）,3,氧化物陶瓷,3.1,氧化铝陶瓷,3.1.4,用途,31,主要内容,1,）氧化锆陶瓷的概况,2,）氧化锆的相变,3,）氧化锆陶瓷的制备,4,）氧化锆陶瓷的性能及其应用,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,32,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.1,概况,金刚石（钻石）,立方氧化锆（苏联钻）,莫氏硬度：,10,色散：,0.044,莫氏硬度：,8.5-9,色散：,0.060,33,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.1,概况,发 展 历 程,1892,年,首次发现氧化锆,1920,年,耐火材料,1968,年,非线性电阻（松下）,1973,年,电解质氧传感器（美国）,1975,年,部分稳定氧化锆磨球（澳洲）,1982,年,柴油机缸套（美、日）,1990,年代,氧化锆阀芯、光纤连接器,1990,年代末,陶瓷刀具,2000,年后,氧化锆全陶瓷牙,34,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.1,概况,日本,40%,美国,25%,中国,10%,其他,25%,2013,年世界总销售额突破,3000,亿美元,35,来源：含锆的矿石,锆英石（,ZrSiO,4,），斜锆石（,ZrO,2,）,颜色：白色（高纯），黄色或者灰色（含杂质，通常为,HfO,2,）,密度：,5.656.27 g/cm,3,熔点：,2715,o,C,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.1,概况,36,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.2,相变,1100-1200,o,C,1000-900,o,C,2370,o,C,单斜,m-ZrO,2,a=0.518 81,b=0.521 42,c=0.538 35,四方,t-ZrO,2,a=0.514 85,c=0.526 72,立方,c-ZrO,2,a=0.508 00,马氏体相变,37,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.2,相变,(1),相变过程有,3-4%,的,体积变化,。并且有,切向,的形变发生。,38,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.2,相变,(2),相变以,音速,发生，没有原子级别的扩散，通过原子的协调运动进行。,晶型稳定化处理,!,纯氧化锆无法烧结致密,39,ZrO,2,的稳定化,通常添加的稳定剂为,CaO,、,MgO,、,Y,2,O,3,、,CeO,2,或其他稀土氧化物。这些氧化物的阳离子半径与,Zr,4+,很相近（,8%,时，全部,c,相保持到室温，得到,FSZ,材料。当加入量中等时（如,5%,），则可能得到,PSZ,材料。,FSZ,PSZ,8,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.2,相变,42,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.2,相变,相变增韧,（,1,）,tm,相变过程中，有,4%,体积膨胀，从而吸收断裂能，降低尖端处的张应力。（裂纹尖端诱发相变）,（,2,）相变引起的体积膨胀，在裂纹周围形成压应力区域，抵抗裂纹的扩张。,43,(3),当主裂纹扩展时遇到这些微裂纹，主裂纹发生偏转、分叉，吸收了断裂能，使材料在更高的荷载下才能断裂，称为微裂纹增韧机制,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.2,相变,相变增韧,44,性能,Mg-PSZ,Ca-PSZ,Y-PSZ,Ca/Mg-PSZ,稳定剂,/%,2.5-3.5,3-4.5,5-12.5,3,硬度,/HV,1440,1710,1360,1500,断裂韧性,/(Mpa m,1/2,),7-15,6-9,6,4.6,杨氏模量,/GPa,200,200-217,210-238,-,抗弯强度,/MPa,430-720,400-690,650-1400,350,1000,o,C,热膨胀系数,/(10,-6,K,-1,),9.2,9.2,10.2,-,热导率,/(W(m k),-1,),1-2,1-2,1-2,1-2,（,1,）,PSZ,的物理性能,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.3,性能,45,（,2,）,TZP,的物理性能,性能,Y-TZP,Ce-TZP,稳定剂,/%,-,-,硬度,/HV,1440,1710,断裂韧性,/(Mpa m,1/2,),6-15,6-30,杨氏模量,/GPa,140-200,140-200,抗弯强度,/MPa,800-1300,500-800,1000,o,C,热膨胀系数,/(10,-6,K,-1,),9.6-10.4,-,热导率,/(W(m k),-1,),2-3.3,-,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.3,性能,46,（,3,）,ZrO,2,增韧,Al,2,O,3,（,Zirconia Toughened Alumina,ZTA),也称为弥散型,ZrO,2,陶瓷。含约未经稳定的,ZrO,2,和,Al,2,O,3,的复合陶瓷。,成分,测试,3Y20A,3Y40A,3Y60A,密度,/(g cm,-3,),-,5.51,5.02,4.6,硬度,/HV,室温,1470,1570,1650,1000,o,C,480,550,650,断裂韧性,/(Mpa m,1/2,),-,6,-,-,杨氏模量,/GPa,-,260,280,-,抗弯强度,/MPa,室温,2400,2100,2000,1000,o,C,800,1000,1000,热膨胀系数,/(10,-6,K,-1,),200,o,C,9.4,8.5,-,热导率,/(W(m k),-1,),室温,5.86,9.21,-,800,o,C,4.19,6.28,-,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.3,性能,47,（,1,）粉体制备,a.,锆英石加碳氯化法,ZrSiO,4,+4C+4Cl,2,ZrCl,4,+SiCl,4,+4CO,(300,o,C),(57.6,o,C),+H,2,O,150-180,o,C,凝固分离,ZrOCl,2,，氯氧化锆,冷却结晶焙烧,ZrO,2,+Cl,2,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.4,制备,48,b.,高温碱解法,锆矿,+,苛性钠,/,纯碱,Na,2,ZrO,3,熔解,盐酸,ZrOCl,2,+,氨水,/NaOH,Zr(OH),4,热解,ZrO,2,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.4,制备,49,c.,共沉淀法,Y,2,O,3,+HCl,YCl,3,ZrOCl,2,8H,2,O,氨水,Zr(OH),4,+Y(OH),3,ZrO,2,(Y,2,O,3,),热分解,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.4,制备,50,（,1,）高硬度、高强度、高韧性,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.5,应用,51,（,2,）高温热稳定性、高温隔热、高温强度,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.5,应用,52,（,3,）其他应用,ZrO,2,氧气敏感陶瓷,ZrO,2,导电陶瓷,氧传感器，固体电解质等,高温发热体，高温电极材料等,3,氧化物陶瓷,3.2,氧化锆陶瓷,3.2.5,应用,53,