第九章--新型无机非金属材料课件.ppt
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1、第九章第九章 新型无机非金属材料新型无机非金属材料9.1 概概 述述现代陶瓷(新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高性现代陶瓷(新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷)与传统陶瓷的比较能陶瓷、高技术陶瓷)与传统陶瓷的比较传统陶瓷:传统陶瓷:陶器、瓷器陶器、瓷器陶器陶器:粘土,:粘土,7001000;多孔,脆,强度低。;多孔,脆,强度低。瓷器瓷器:瓷石、高岭土,:瓷石、高岭土,11001300;致密,脆,;致密,脆,强度低。强度低。现代陶瓷现代陶瓷:高纯人工合成高纯人工合成,1300。高致密,。高致密,高强、高韧。高强、高韧。分类分类按成分按成分氧化物陶瓷:氧化物陶瓷:Al2O3、SiO
2、2、ZrO2、BaTiO3、ZrSiO4碳化物陶瓷:碳化物陶瓷:SiC、WC、B4C、TiC,氮化物陶瓷:氮化物陶瓷:Si3N4、AlN、BN、TiN,硼化物陶瓷:硼化物陶瓷:ZrB2、TiB2按性能按性能和用途和用途结构陶瓷:结构零部件,主要使用其力学、热学、化结构陶瓷:结构零部件,主要使用其力学、热学、化学性能,如耐磨、耐高温、抗氧化。学性能,如耐磨、耐高温、抗氧化。功能陶瓷:功能器件,主要使用物理性能,如压电功能陶瓷:功能器件,主要使用物理性能,如压电陶瓷、磁性陶瓷、发光材料。陶瓷、磁性陶瓷、发光材料。生物陶瓷:人工骨、齿,生物相容性。生物陶瓷:人工骨、齿,生物相容性。包括:氧化物、氮化
3、物、碳化物、金属陶瓷包括:氧化物、氮化物、碳化物、金属陶瓷9.1.1 陶瓷的显微结构陶瓷的显微结构n晶体相(结晶相)晶体相(结晶相)n玻璃相玻璃相n气相气相Al2O3陶瓷的显微结构陶瓷的显微结构 1结晶相结晶相 2玻璃相玻璃相 3气相气相 9.1.2 陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点化学键:离子键、共价键。化学键:离子键、共价键。优点:优点:u硬度高,耐磨性好;硬度高,耐磨性好;u熔点高,耐热性好;熔点高,耐热性好;u化学稳定性高,耐蚀性好。化学稳定性高,耐蚀性好。缺点缺点:u塑性变形困难;塑性变形困难;u脆性大;脆性大;u裂纹敏感性强。裂纹敏感性强。致命缺点,脆性大,韧化很重要。致命缺点
4、,脆性大,韧化很重要。9.1.3 陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能9.1.3.1 9.1.3.1 弹性性能弹性性能(1 1)弹性和弹性模量)弹性和弹性模量弹性模量仍可用虎克定律描述:弹性模量仍可用虎克定律描述:=E =E E E原子间距的微小变化所需外力的大小。原子间距的微小变化所需外力的大小。(2 2)温度对)温度对E E的影响的影响温度升高,原子间距增大,温度升高,原子间距增大,弹性模量降低弹性模量降低。热膨胀系数小,弹性模量高。热膨胀系数小,弹性模量高。(3 3)E E与熔点的关系与熔点的关系E E与熔点成正比例关系,与熔点成正比例关系,V Va a原子体积或分子体积。原子体积或分子体积。E
5、与与kTm/Va之间成之间成线性关系线性关系。T Tm m,E E 氧化物氧化物 氮化物氮化物 硼化物硼化物 碳化物碳化物 陶瓷的弹性模量数据陶瓷的弹性模量数据温度对弹性模量的影响温度对弹性模量的影响弹性模量与弹性模量与kTm/Va之间的关系之间的关系(4 4)E E与致密度的关系与致密度的关系随气孔率增加,随气孔率增加,E E急剧下降。急剧下降。即致密度提高,即致密度提高,E E提高。提高。E=E=E EO Oexpexp(-BP)(-BP)P P气孔率气孔率气孔率对气孔率对Al2O3陶瓷弹性模量的影响陶瓷弹性模量的影响 大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属的泊松比大多数陶瓷材料的泊松比都小于金
6、属的泊松比(BeOBeO、MgOMgO除外)除外)一些陶瓷材料在室温下的泊松比一些陶瓷材料在室温下的泊松比9.1.3.2 硬度硬度(1)常温硬度)常温硬度与强度间无对应关系。与强度间无对应关系。测定方式:维氏测定方式:维氏HVHV,显微,显微HmHm,洛氏,洛氏HRHR测试表面应用金刚石研磨膏抛光成镜面。测试表面应用金刚石研磨膏抛光成镜面。一些常用陶瓷材料的硬度值一些常用陶瓷材料的硬度值(2 2)高温硬度)高温硬度用维氏或显微硬度法测定。用维氏或显微硬度法测定。与高温强度有一定对应关与高温强度有一定对应关系,长时保载可显示其蠕变特系,长时保载可显示其蠕变特性,故用于性,故用于表征其高温性能表征
7、其高温性能。(3 3)硬度与其他性能之)硬度与其他性能之间的关系间的关系 E20HVE20HV,常温下成立。,常温下成立。温度升高,温度升高,HVHV下降明显,下降明显,E/HVE/HV随随T T升高而增大。升高而增大。HV/KHV/KICIC:某种程度可表示:某种程度可表示材料的脆性断裂程度。材料的脆性断裂程度。陶瓷的维氏硬度与弹性模量的关系陶瓷的维氏硬度与弹性模量的关系9.1.3.3 强度强度室温强度:只能测到断裂强度室温强度:只能测到断裂强度f f值。值。一般只测一般只测弯曲强度弯曲强度,拉伸强度很少测定,拉伸强度很少测定.(1)组织因素对强度的影响)组织因素对强度的影响陶瓷的缺陷:晶界
8、上:气孔、裂纹、玻璃相陶瓷的缺陷:晶界上:气孔、裂纹、玻璃相 晶内:气孔、孪晶界、层错、位错等晶内:气孔、孪晶界、层错、位错等a、气孔率对强度的影响气孔率对强度的影响强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。Ryskewitsch公式:公式:=0 0exp(-P)P气孔率,气孔率,0 0P=0时的强度,时的强度,常数,在常数,在47之间。之间。当当P=10%时,时,下降到下降到0 0的一半。硬瓷的一半。硬瓷P=3%,陶器陶器P=10%15%。为获得高强度,应制备接近理论密度的为获得高强度,应制备接近理论密度的无气孔无气孔陶瓷材料。陶瓷材料。一些材料的室温强度一
9、些材料的室温强度 Al2O3的强度与气孔率的关系的强度与气孔率的关系 b、晶粒尺寸对强度的影响、晶粒尺寸对强度的影响符合符合Hall-Patch关系,关系,d减小,强度减小,强度,f f d-1/2。努力获得细晶粒组织,对提高室温强度有利而无害努力获得细晶粒组织,对提高室温强度有利而无害。c、晶界相的性质与厚度,晶粒形状对强度的影响、晶界相的性质与厚度,晶粒形状对强度的影响晶界相:低熔点,但促进致密化。晶界相:低熔点,但促进致密化。晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的作用。作用。玻璃相对强度不利,应尽量减少,可通过热处理使其晶化。
10、玻璃相对强度不利,应尽量减少,可通过热处理使其晶化。晶粒形状:最好为均匀的等轴晶粒。晶粒形状:最好为均匀的等轴晶粒。高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求:高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求:晶粒尺寸小,晶体缺陷少;晶粒尺寸小,晶体缺陷少;晶粒尺寸均匀,等轴;晶粒尺寸均匀,等轴;晶界相含量适当,并尽量减少晶界玻璃相含量;晶界相含量适当,并尽量减少晶界玻璃相含量;减少气孔率,尽量接近理论密度。减少气孔率,尽量接近理论密度。(2)温度对强度的影响)温度对强度的影响陶瓷的最大特点:高温强度比金属高得多。有三区:陶瓷的最大特点:高温强度比金属高得多。有三区:A区:区:T 0.5 Tm,有塑变,有塑变,f f随
11、随T上升明显降低;上升明显降低;C区:区:T继续升高,二维滑移系开动,有交滑移产生,松继续升高,二维滑移系开动,有交滑移产生,松弛了应力集中,弛了应力集中,f f随随T升高而上升。升高而上升。陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图从中可从中可得最高使用得最高使用温度(在温度(在f f明显降低前明显降低前的温度)。的温度)。温度对陶瓷材料强度的影响温度对陶瓷材料强度的影响9.1.3.4、断裂韧性、断裂韧性用线弹性断裂力学来描述其断裂行为。用线弹性断裂力学来描述其断裂行为。评介参数:评介参数:KIC金属的金属的KIC比陶瓷高比陶瓷高12个数量级个数量级。实际应用中
12、,应设法大幅提高和改善陶瓷的实际应用中,应设法大幅提高和改善陶瓷的韧性。韧性。一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较 9.1.4 陶瓷的韧化陶瓷的韧化 n 自自增增韧韧陶陶瓷瓷:烧烧结结或或热热处处理理使使其其内内部部自自生生出出增韧相。增韧相。n 外加第二相增韧外加第二相增韧:纤维、晶粒、颗粒:纤维、晶粒、颗粒(1)ZrO2同素异构转变及相变韧化的概念同素异构转变及相变韧化的概念 ZrO2同素异构转变:同素异构转变:液相(液相(L)立方相(立方相(c)正方相(正方相(t)单斜相(单斜相(m)其中其中tm转变转变时将产生时将产生3%5%的体积膨胀,的体积膨胀,属属M相变相
13、变。相变韧化相变韧化:将:将ZrO2的的tm相变相变Ms点稳定到比室温稍低,点稳定到比室温稍低,而而Md(形变形变M点点)点比室温高,使其在承载时点比室温高,使其在承载时由应力诱发产生由应力诱发产生tm相变相变,由于相变产生的,由于相变产生的体积效应体积效应和和形状效应形状效应而吸收大量的而吸收大量的能量,从而表现异常能量,从而表现异常高的韧性。高的韧性。9.1.4.1 相变韧化相变韧化立方相(立方相(c)正方相(正方相(t)单斜相(单斜相(m)(2)PSZ、TZP和和FSZ为使为使tm相变稳定相变稳定在室温承载时在室温承载时发生,必须发生,必须加入稳定剂加入稳定剂(Y2O3),使),使ZrO
14、2可分别获得可分别获得t+m双相,双相,c+t双相,双相,c+t+m三相,三相,纯纯t相或纯相或纯c相组织。只有相组织。只有纯纯m相无相变韧化相无相变韧化。PSZ(Partially Stabilized Zirconia)部分稳定化氧化锆:部分稳定化氧化锆:t+m,c+t,c+t+m三相均三相均含有亚稳含有亚稳t相相的复相组织,可产生的复相组织,可产生tm相相变韧化效应。变韧化效应。TZP(Tetrayunal Zirconia Polycrystal)正方相氧化锆多晶:正方相氧化锆多晶:纯纯t相。相。FSZ(Fully Stabilized Zirconia)全稳定氧化锆:纯全稳定氧化锆:
15、纯c相。相。当稳定剂含量较低,快冷至当稳定剂含量较低,快冷至c+tc+t双相区等温时效,可析出双相区等温时效,可析出t t相,也会产生相,也会产生tmtm相变韧化作用。相变韧化作用。(3 3)ZrOZrO2 2基陶瓷基陶瓷tmtm相变的晶粒尺寸效应相变的晶粒尺寸效应t t相的稳定性随晶粒直径的减小而增大(相的稳定性随晶粒直径的减小而增大(MsMs点随点随dd而而),),d,Msd,Ms点点,t,t相的稳定性相的稳定性。tmtm转变临界晶粒尺寸转变临界晶粒尺寸d dc c:ddddc c,室温下室温下t t已转变为已转变为m m;ddddc c,有可能产生相变韧化有可能产生相变韧化。应力诱发应力
16、诱发tmtm相变的临界粒径相变的临界粒径d di i:d di iddddc c的晶粒才会发生应力诱发相变的晶粒才会发生应力诱发相变;dddddm m,相变时相变时诱发了显微裂纹诱发了显微裂纹。d dc cddddm m:不足以诱发显微裂纹,但不足以诱发显微裂纹,但m m相周围有残余应力相周围有残余应力。这种这种显微裂纹显微裂纹与与残余应力残余应力均会均会产生韧化作用产生韧化作用。d di iddc cddddm m,引起显微裂纹。对引起显微裂纹。对某某一粒径有一最佳一粒径有一最佳ZrOZrO2 2含量含量(1.25m,15%,6.4m,4%1.25m,15%,6.4m,4%),即此时即此时Z
17、rOZrO2 2粒子转变诱发显微裂粒子转变诱发显微裂纹的密度较高,又不相互连接纹的密度较高,又不相互连接。当当ZrOZrO2 2含量过高时,显微裂含量过高时,显微裂纹相互连接而使纹相互连接而使K KICIC下降。下降。还可看出,随还可看出,随d,d,临界临界ZrOZrO2 2含量(临界裂纹密度)含量(临界裂纹密度),大,大d d诱发的裂纹尺寸大,易连接形诱发的裂纹尺寸大,易连接形成危险裂纹。成危险裂纹。f fZrOZrO2 2图说明,图说明,显微裂纹显微裂纹增韧不强化增韧不强化。ZrOZrO2 2含量及粒径对含量及粒径对AlAl2 2O O3 3+ZrO+ZrO2 2陶瓷韧性的影响陶瓷韧性的影
18、响c)c)残余应力韧化残余应力韧化:d dc cddddddm m:显微裂纹韧化显微裂纹韧化d dc cddddm m:残余应力韧化残余应力韧化d di iddddc c:相变韧化相变韧化ddd di i:不产生韧化作用不产生韧化作用 t+m双相并有显微裂纹组织的韧性为双相并有显微裂纹组织的韧性为KIC(t+m)=KICO+KICT+KICM+KICS不同尺寸晶粒的韧化机理不同尺寸晶粒的韧化机理ZrO2-Y2O3陶瓷:陶瓷:Y2O3的摩尔分数的摩尔分数=2%,韧性最佳。,韧性最佳。Y2O3的摩尔分数的摩尔分数2%,c相多,相多,t相少,相变增韧相少,相变增韧效果也不显著。效果也不显著。Y-PS
19、Z的断裂韧性与的断裂韧性与xY2O3的关系的关系(5 5)相变增韧其它基体陶瓷)相变增韧其它基体陶瓷ZrOZrO2 2的的tmtm相变韧化作用及其派生的显微裂纹韧化及残余应力相变韧化作用及其派生的显微裂纹韧化及残余应力韧化作用引入韧化作用引入AlAl2 2O O3 3、SiSi3 3N N4 4等基体,可使韧性得到显著等基体,可使韧性得到显著。例:例:a a、ZrOZrO2 2增韧增韧AlAl2 2O O3 3基体复合材料:基体复合材料:ZrOZrO2 2含量约含量约10%10%,K KICIC及及f f均提高均提高。热压热压Al2O3-ZrO2(2Y)陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能韧化效果来自
20、于韧化效果来自于基体晶粒细化;基体晶粒细化;tmtm相变韧化;相变韧化;显微裂纹韧化;显微裂纹韧化;裂纹转向与分叉裂纹转向与分叉韧化。韧化。ZrO2+Al2O3 陶瓷中陶瓷中ZrO2粒子诱发微裂纹粒子诱发微裂纹及主裂纹遇及主裂纹遇ZrO2粒子转向粒子转向b b、ZrOZrO2 2增韧莫莱石复合材料:增韧莫莱石复合材料:c c、ZrOZrO2 2增韧增韧SiSi3 3N N4 4复合材料:复合材料:ZrOZrO2 2相变增韧与增强同时存在。相变增韧与增强同时存在。ZrO2增韧莫来石及增韧莫来石及Si3N4复合材料的性能复合材料的性能9.1.4.2 9.1.4.2 纤维韧化纤维韧化纤维韧化(纤维增
21、强):纤维韧化(纤维增强):定向或取向或无序排布的纤维加定向或取向或无序排布的纤维加入,均使陶瓷基复合材料韧性显著提高,同时强度和抗热震性入,均使陶瓷基复合材料韧性显著提高,同时强度和抗热震性也有显著提高。也有显著提高。(1 1)单向排布长纤维增韧)单向排布长纤维增韧特点特点:具有各向异性具有各向异性,纵向性能大大高于横向性能。,纵向性能大大高于横向性能。应用应用:单轴应力单轴应力的场合。的场合。机理机理:纤维拔出机理:纤维拔出机理:纤纤维阻碍裂纹扩展,须增维阻碍裂纹扩展,须增大应力大应力使纤维拔出直至使纤维拔出直至纤维断裂而使韧性提高纤维断裂而使韧性提高。裂纹转向机理裂纹转向机理:纤维的断裂
22、并非在同一裂纹平面。主裂纹沿纤维的断裂并非在同一裂纹平面。主裂纹沿纤维断裂位置的不同发生纤维断裂位置的不同发生裂纹转向裂纹转向,使裂纹扩展路径曲折而使,使裂纹扩展路径曲折而使裂纹表面积增加,而使裂纹扩展阻力增加,使韧性进一步提高。裂纹表面积增加,而使裂纹扩展阻力增加,使韧性进一步提高。断裂韧性可表示为:断裂韧性可表示为:K KICIC =K=KICOICO+KKICfICfp p+KKICffICff=K=KICOICO+(+(W Wfpfp+W Wffff)K KICIC 复合材料的断裂韧性;复合材料的断裂韧性;K KICOICO 基体的断裂韧性;基体的断裂韧性;KKICfICfp p 纤维
23、拔出产生的断裂韧性增量;纤维拔出产生的断裂韧性增量;KKICffICff纤维断裂产生的断裂韧性增量。纤维断裂产生的断裂韧性增量。Cf/Si3N4复合材料断口侧面形貌复合材料断口侧面形貌(2 2)多维多向排布纤维增韧)多维多向排布纤维增韧包括包括:二维多向排布或编织纤维增韧陶瓷基复合材二维多向排布或编织纤维增韧陶瓷基复合材料;二维多向编织纤维增韧陶瓷基复合材料料;二维多向编织纤维增韧陶瓷基复合材料用于用于:在二维和三维方向上均要求有高于性能的场:在二维和三维方向上均要求有高于性能的场合,如宇航飞行器防热部件。合,如宇航飞行器防热部件。缺点缺点:制备工艺复杂,需专用设备,工艺技术难度:制备工艺复杂
24、,需专用设备,工艺技术难度大,质量不易控制,成本高。大,质量不易控制,成本高。9.1.4.3 9.1.4.3 短纤维、晶须及颗粒韧化短纤维、晶须及颗粒韧化(1 1)短纤维增韧陶瓷基复合材料)短纤维增韧陶瓷基复合材料制备工艺制备工艺:将:将长纤维剪(切)短长纤维剪(切)短(3mm3mm),分散并与基体粉分散并与基体粉末混合均匀,用热压烧结方法制成末混合均匀,用热压烧结方法制成复合材料。复合材料。特点特点:沿加压面上的性能优于垂直加压面上的性能沿加压面上的性能优于垂直加压面上的性能。冷压成型或热压烧结时,原无序随机取向的短纤维沿压力方冷压成型或热压烧结时,原无序随机取向的短纤维沿压力方向转动,沿加
25、压面择优取向。向转动,沿加压面择优取向。若挤压成型,可使短纤维定向排布。若挤压成型,可使短纤维定向排布。C纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中的纤维分布纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中的纤维分布C纤维增强纤维增强Pyrex玻璃中纤维的定向排布玻璃中纤维的定向排布加入纤维使复合加入纤维使复合材料断裂功(材料断裂功(W W)提)提高;高;定向排布可在高定向排布可在高纤维体积分数时得到纤维体积分数时得到更高的更高的W W;无序分布时,则无序分布时,则有极大值。有极大值。C纤维含量对纤维含量对C纤维增韧玻璃陶瓷复合材料断裂功的影响纤维增韧玻璃陶瓷复合材料断裂功的影响(2 2)晶须增韧陶瓷基复合材料)晶须增韧陶瓷基复合
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- 第九 新型 无机 非金属材料 课件
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