陶瓷系列微观结构与力学性能.pptx

陶瓷系列微观结构与力学性能一、陶瓷材料得微观结构玻璃陶瓷就是玻璃还就是陶瓷？二、结构陶瓷氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷三、电功能陶瓷四、铁氧体一、陶瓷材料得微观结构一、陶瓷材料得微观结构、玻璃、玻璃晶体晶体玻璃玻璃冷却速度须使金属不产生晶核也不发生晶核长大须使金属不产生晶核也不发生晶核长大晶体形成温度与时间得关系晶体形成温度与时间得关系冷却速度高于冷却速度高于临界冷却速度临界冷却速度以上时以上时,金属金属不再发生结晶不再发生结晶C曲线曲线、玻璃、玻璃非晶态合金块材制备方法非晶态合金块材制备方法 大块非晶合金主要通过调整成分来获得强得非晶形成能力。大块非晶合金主要通过调整成分来获得强得非晶形成能力。Inoue 等人提出了三条简单得经验性规律等人提出了三条简单得经验性规律:合金系由三个以上组元组成合金系由三个以上组元组成;主要组元得原子有主要组元得原子有12%以上得原子尺寸差以上得原子尺寸差;各组元间有大得负混合热各组元间有大得负混合热;为了控制冷却过程中得非均匀形核为了控制冷却过程中得非均匀形核:一要提高合金得纯度一要提高合金得纯度,减少杂质减少杂质;二要二要采用高纯惰性气体保护采用高纯惰性气体保护,尽量减少含尽量减少含氧量。氧量。、玻璃、玻璃腓尼基人生活在今天地中海东岸 Na2CO3NaHCO32H2O、玻璃、玻璃原料原料:纯碱、石灰石、石英纯碱、石灰石、石英主要成分主要成分 Na2OCaO6SiO23000多年前多年前,洲腓尼商船载着洲腓尼商船载着块状得块状得Na2CO3NaHCO32H2O。由于海水落潮由于海水落潮,商船搁浅了商船搁浅了,于于就是船员们纷纷登上沙滩。有就是船员们纷纷登上沙滩。有得船员还抬来大锅得船员还抬来大锅,搬来木柴搬来木柴,并用几块并用几块“天然苏打天然苏打”作为大作为大锅得支架锅得支架,在沙滩在沙滩(碳酸钙、二碳酸钙、二氧化硅氧化硅)上做饭。上做饭。、玻璃、玻璃公元前公元前80002000年年(新石器时代新石器时代)就发明了陶器。就发明了陶器。用陶土烧制得器皿叫陶器用陶土烧制得器皿叫陶器,用瓷土烧制得器皿叫瓷用瓷土烧制得器皿叫瓷器。陶瓷则就是陶器器。陶瓷则就是陶器,炻器和瓷器得总称。炻器和瓷器得总称。、陶瓷、陶瓷黏土、陶瓷、陶瓷大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点高岭土高岭土(即观音土)就是富含高岭石这一矿物得土壤得名称,而高岭石得主要成分就是Al2032Si022H20、陶瓷、陶瓷地壳中元素含量、陶瓷、陶瓷黏土得主要成分、陶瓷、陶瓷、陶瓷、陶瓷、陶瓷、陶瓷1)晶粒 就是陶瓷材料得主要组成相硅酸盐硅酸盐硅酸盐就是传统陶瓷得主要晶相。硅酸盐就是传统陶瓷得主要晶相。氧化物氧化物 氧化物就是大多数典型陶瓷氧化物就是大多数典型陶瓷,特别就是特种陶瓷得主要特别就是特种陶瓷得主要组成和晶体相。最重要得氧化物晶体相有组成和晶体相。最重要得氧化物晶体相有AO、AO2、A2O3、ABO3和和AB2O4等等(A、B表示阳离子表示阳离子)。非氧化物非氧化物 就是指不含氧得金属碳化物、氮化物、硅化物及硼就是指不含氧得金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化物等化物等,她们就是新型陶瓷她们就是新型陶瓷,特别就是金属陶瓷得主要晶相和晶体特别就是金属陶瓷得主要晶相和晶体相。主要由高键能得共价键结合相。主要由高键能得共价键结合,但也有离子键和金属键。但也有离子键和金属键。、陶瓷、陶瓷陶瓷中得玻璃相得主要作用就是陶瓷中得玻璃相得主要作用就是:1)填充晶体相之间得空隙,并将分散得晶相粘结起来,提高材料得致密度;2)降低烧结温度,促进烧结;3)玻璃相粘度高,阻止晶体转变,抑制晶体长大;4)获得一定程度得玻璃特性,如透光性等。美国和欧洲一些国家得文献已将美国和欧洲一些国家得文献已将“Ceramic”一词一词理解为各种无机非金属固体材料得通称。理解为各种无机非金属固体材料得通称。、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷玻璃得微晶学说玻璃得微晶学说1921年年列列别捷捷夫夫在在研研究究硅硅酸酸盐玻玻璃璃时发现,玻玻璃璃加加热到到573时其其折折射射率率发生生急急剧变化化,而而石石英英正正好好在在573发生生型型得得转变。在在此此基基础上上她她提提出出玻玻璃璃就就是是高高分分散散得得晶晶子子得得集集合合体体,后后经瓦瓦连柯柯夫夫等等人人逐步完善。逐步完善。微晶得尺度在微晶得尺度在2nm左右左右、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷透明微晶玻璃微晶玻璃炉具面板、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷反常现象一反常现象一:有得微晶玻璃不透明有得微晶玻璃不透明在光照条件下在光照条件下:黑色得材料容易吸热黑色得材料容易吸热金属材料容易吸热金属材料容易吸热为什么？为什么？、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷透不过得光去了哪里透不过得光去了哪里(透射、反射、散射透射、反射、散射)1、转化为晶格振动、转化为晶格振动(晶格热容晶格热容)2、将电子激发到高能级、将电子激发到高能级(电子热容电子热容)。金属。金属得能级连续得能级连续,所以各种能量得光子来者不拒所以各种能量得光子来者不拒,以至于不透明。以至于不透明。、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷透不过得光去了哪里透不过得光去了哪里(透射、反射、散射透射、反射、散射)3、-Al2O3单晶体就是良好得对红外线、可见光透明得材料。但就是以-Al2O3为主晶相得多晶陶瓷通常并非如此。原因就是材料中存在尺度与红外线、可见光波长相当得缺陷(如玻璃相、气孔、杂质相等)、晶界,引起透入光被不断地被散射、反射、折射、干涉甚至被吸收,最后基本被消耗在材料内部。、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷透不过得光去了哪里透不过得光去了哪里(透射、反射、散射透射、反射、散射)红宝石红宝石:主要成分就是氧化铝主要成分就是氧化铝(Al O)。红色来自铬。红色来自铬(Cr),主要为主要为Cr2O3,含量一般含量一般0、13%,最高者达最高者达4%、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷透不过得光去了哪里透不过得光去了哪里(透射、反射、散射透射、反射、散射)主要成分就是氧化铝主要成分就是氧化铝(Al O)。蓝色就是由于其中混有少量钛蓝色就是由于其中混有少量钛(Ti)和铁和铁(Fe)杂质所致。蓝宝石杂质所致。蓝宝石得颜色得颜色,可以有粉红、黄、绿、可以有粉红、黄、绿、白、甚至在同一颗石有多种颜色白、甚至在同一颗石有多种颜色材料呈蓝色材料呈蓝色,就是由于她反射就是由于她反射(激发激发跃迁跃迁),就是由就是由于其与波长得光由于各种原因被吸收了。于其与波长得光由于各种原因被吸收了。、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷反常反常现象二象二:可机械加工可机械加工可用可用标准金属加工工具和准金属加工工具和设备进行行车、铣、刨、磨、刨、磨 、钻、锯切和攻切和攻丝等加工。等加工。、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷、就是玻璃还就是陶瓷二、结构陶瓷二、结构陶瓷v 结构陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲结构陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性刷、抗氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性能能,可以承受金属材料和高分子材料难以胜任得可以承受金属材料和高分子材料难以胜任得严酷工作环境严酷工作环境,因而广泛应用于能源、航空航天、因而广泛应用于能源、航空航天、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。机械陶瓷 热机陶瓷 生物化工陶瓷通常根据结构陶瓷得使用领域和组分来对其进行分类:核陶瓷及其她二、结构陶瓷二、结构陶瓷 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷氧化物陶瓷v 氧化物陶瓷材氧化物陶瓷材料得原子料得原子结合以合以离子离子键为主主,存在存在部分共价部分共价键,因此因此具有具有许多多优良得良得性能。大部分氧性能。大部分氧化物具有很高得化物具有很高得熔点熔点,一般都在一般都在20002000o oC C附近。附近。氧化铝陶瓷SiO2添加SiO2作为助烧剂,在1600度形成液相,有利于烧结Al2O3与氧化铝形成液相得物质及出现液相得最低温度形成液相得物质出现液相得最低温度(oC)BeO1900CaO1400CeO21750MgO1930ThO21750TiO21720ZrO21700 氧化铝陶瓷 以Al2O3为主成分。氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料。通常应用于需要承受机械应力得结果用零件,尤其就是利用其高熔点、高硬度、耐腐蚀、电绝缘性好等特性,作为苛刻条件下使用得结构件。氧化铝陶瓷v 透明氧化铝陶瓷-Al2O3单晶体就是良好得对红外线、可见光透明得材料。但就是以-Al2O3为主晶相得多晶陶瓷通常并非如此。原因就是材料中存在尺度与红外线、可见光波长相当得缺陷(如玻璃相、气孔、杂质相等)、晶界,引起透入光被不断地被散射、反射、折射、干涉甚至被吸收,最后基本被消耗在材料内部。氧化铝陶瓷 通过以下方法可改善氧化铝得透光性:提高密度,以减少气孔;限制气孔得尺寸,使其不与透过光干涉;限制晶粒尺寸(减少晶粒尺寸),从而提高均匀性。提高材料得纯度,以减少玻璃相和杂质相。具体措施:采用高纯、细得Al2O3粉为原料(一般用硫酸铝氨热分解法生产得高纯Al2O3粉体为原料),掺杂MgO(0、5wt%),在氢气氛下烧结。MgO作为助烧剂得作用机制MgO得作用与其加入量有关:当加入量不超过MgO在Al2O3中得固溶度(0、3wt%)时,固溶反应:2MgO 2MgAl+2O0 x+V0生成氧空位,有利于氧得固相扩散传质,从而促进烧结当MgO得加入量大于固溶度时,未溶解部分与Al2O3反应:MgO+Al2O3MgOAl2O3(尖晶石)尖晶石就是新得化合物。尖晶石颗粒分布于Al 2O3主晶相得晶界上,阻碍晶界移动(称之为钉扎晶界),从而阻碍由于晶界移动过快导致得气孔进入晶粒内部得情形发生。气孔在晶界上通过晶界扩散更容易排除。钉扎晶界得结果还可以细化晶粒。p烧结气氛气氛对99瓷烧结得影响(1650 烧结)还原气氛或原子尺寸小得气氛对烧结更有利。还原气氛得影响机理就是增加了氧空位,促进了扩散过程。又有实验表明,氨分解气氛、氢气氛会加速晶粒得异常长大,故建议最好得气氛为氩气或空气。这些实验结果有些矛盾,说明实际情况有些复杂。如果没有晶粒得异常长大,可以认为采用还原气氛烧结还就是有利得。氧化锆陶瓷氧化锆具有一定得韧性,使该材料机械性能大幅提高,尤其就是室温韧性非常优异,因此作为热机、耐磨机械部件受到广泛得关注;此外,利用氧化锆得离子导电特性,还开发了氧化锆在氧传感器、燃料电池及发热元件等方面得应用。氧化锆陶瓷1、离子键具有方向性、离子键具有方向性2、位错运动会产生畴界、位错运动会产生畴界氧化锆陶瓷v 氧化锆晶体结构及相变特性氧化锆晶体结构及相变特性 氧化锆存在三种稳定得多型体:单斜相(m-ZrO2)、立方相(c-ZrO2)和四方相(t-ZrO2)。氧化锆得基本物理性能应力诱导相变增韧氧化锆陶瓷 应力诱发相变氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 微裂纹增韧机制:微裂纹弥散分布于陶瓷基体上。这些裂纹就是由四方氧化锆颗粒转变为单斜氧化锆颗粒时体积膨胀所致。当有一个大裂纹扩展通过时,大裂纹前端得微小裂纹也产生扩展,化解掉外力做得功。微裂微裂纹增增韧只增加只增加韧性性,对强度有度有损害害;应力力诱发相相变增增韧,既增加既增加韧性也增加性也增加强度。度。氮化物陶瓷v 氮化物陶瓷材料氮化物陶瓷材料:室温和高温强度高、硬度高、耐室温和高温强度高、硬度高、耐磨蚀性和良好得抗热冲击及机械冲击性能磨蚀性和良好得抗热冲击及机械冲击性能,被材料科被材料科学界认为就是结构陶瓷领域中综合性能优良学界认为就是结构陶瓷领域中综合性能优良,最有希最有希望代替镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用望代替镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用得一种新材料。得一种新材料。v氮化物陶瓷得缺点就是抗氧化能力差。氮化物陶瓷得缺点就是抗氧化能力差。氮化铝陶瓷氮化铝发现于1842年,最初用于固氮剂及冶炼铝及铝合金得耐火材料。由于氮化铝陶瓷具有高热导率(理论热导率320W/mK),与硅相匹配得热膨胀系数,无毒、密度低、比强度高得特点,近年来,氮化铝陶瓷作为新一代信息材料受到了广泛得关注,成为微电子工业中电路基板和封装得最理想材料。纯铜398W/m、K氮化铝陶瓷 氮化铝(AlN)就是一种人造材料,在自然界中并不存在。强度极大得共价键使得氮化铝具备高熔点,且凭借共价键之共振声子传递热能,使得氮化铝同时具备高热传导特性。氮化铝为少数热导率高得非金属固体,因其符合:(1)原子键强(反例:气体导热性差)(2)晶体结构简单;(3)晶格震动谐振性高氮化铝陶瓷 在电子工业方面得应用:氮化铝具有高得热导率、低得介电常数、绝缘以及与硅相接近得热膨胀系数等特点,使其在电子工业中得应用日益受到重视。过去得基片材料采用Al2O3,而AlN得热导率就是Al2O3得510倍,更适合大规模集成电路要求。BeO材料虽具有优异得热导性能,但其剧毒性限制了她得工业中得广泛应用。金刚石虽导热性能优良,但其价格昂贵,不宜用作基片材料。在目前得非金属导热材料中,AlN陶瓷得综合性能良好,非常适用于电子工业。碳化物陶瓷v 碳化物陶瓷得主要特点:v高熔点,例如TiC得熔点为3460oCv较高得硬度,例如碳化硼得硬度仅次于金刚石v良好得导电性和导热性以及良好得化学稳定性。因此,碳化物陶瓷作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料、耐腐蚀材料在诸多工业领域中获得广泛应用。