现代陶瓷之结构陶瓷.ppt
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1、结构陶瓷定义与分类结构陶瓷定义与分类v定义:所谓结构陶瓷结构陶瓷,是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度高强度、高硬度高硬度、高弹性模量高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震蚀、抗氧化、抗热震等特性。v分类:因结构陶瓷往往在高温下作为结构材料使用,因而常称之为高温结构陶瓷高温结构陶瓷或工程陶瓷工程陶瓷。高温结构陶瓷大致可分为两大类,一类是在大热流和1500高温下作短时间短时间(几秒到几十分钟)使用,另一类是在中等热流和1200以上的高温下长时间长时间(几百到数千小时)使用。前者用于如洲际导弹的端头,回收人造卫星的前缘,火箭尾喷管喉衬和航天飞机外蒙皮等;后
2、者主要用于能源工程,作为各种新型热机(燃气轮机、绝热柴油机)中的耐热、耐磨部件:如燃烧室、活塞顶、蜗轮转子、汽缸套等以及广泛用于汽车、机械、石油化工、纺织等工业领域的耐热、耐磨损、耐腐蚀部件,如各种泵用的密封材料、轴承及轴套等。按组分分类,结构陶瓷又可分为:按组分分类,结构陶瓷又可分为:v(1)氧化物陶瓷,如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化铍陶瓷、锆英石陶瓷等;v(2)氮化物陶瓷、如氮化硅陶瓷、赛龙(Sialon)、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷等;v(3)碳化物陶瓷:如碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷以及碳化铀陶瓷v(4)硼化物陶瓷,如硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。由此
3、可见,组成结构陶瓷的元素,如硅、硼、碳、氧、氮、铝均为地壳中含量最多的,这也是结构陶瓷用作发动机部件,取代镍、钴、铬等战略金属、显示其生命力的地方。氧化物陶瓷氧化物陶瓷v氧化铝陶瓷v氧化锆陶瓷v氧化镁陶瓷v氧化铍陶瓷v其它氧化物陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷v氧化铝陶瓷是一种以氧化铝为主晶相的陶瓷材料,氧化铝含量一般在7599.9%之间,通常习惯以氧化铝的含量来分类。氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”,含量在85%左右称作“85瓷”,含量在99%左右称作“99瓷”。含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。v氧化铝有(刚玉型)、等11种变体,其中主要是、两种晶型,而且只有一种热力学稳定相,即氧化铝
4、。而氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O11Al2O3或RO6Al2O3)。它们的结构各不相同。氧化铝结构图氧化铝结构图蓝宝石蓝宝石 蓝色的蓝宝石,是由于其中混有少量钛蓝色的蓝宝石,是由于其中混有少量钛(Ti)和铁()和铁(Fe)杂质所致;)杂质所致;红宝石红宝石红色来自铬红色来自铬(Cr)-Al2O3属立方晶系,尖晶石型结构,氧离子形成立方密堆积,Al3+填充在间隙中。-Al2O3的密度小,且高温下不稳定,加热到11001200时,缓慢转变成-Al2O3,到1450时这一过程才完成。伴随着放热32.8KJ/mol,体积收缩14.3%。由于-Al2O3是松散结构,机电性能差,可以用它来做多孔材料。自然
5、界没有发现-Al2O3,它一般是由含水的Al2O3矿物(Al2O3H2O或Al2O33H2O)经加热而成。氧化铝粉体的制备氧化铝粉体的制备v拜耳法工业氧化铝工业氧化铝粉体的生产一般采用拜耳法。是由KJ Bayer(拜耳)所发明。它是将含铝量高的天然矿物,如铝矾土用酸法或碱法处理而得。碱法处理碱法处理是近代炼铝工业中制造氧化铝的主要方法。酸法生产很少使用,但能提取贫矿中的氧化铝,因而是有发展前途的一种方法。v高纯度高纯度氧化铝粉体制备:是将高纯度铝盐和金属铝分别热解、氧化而制得的,主要有以下四种方法:1.铵明矾热解法2.有机铝盐加水分解法3.铝的水中放电分解法4.铝的铵碳酸盐热分解法高纯度氧化铝
6、粉体制备Al2O3制品的强度、耐热性和电绝缘性等许多性能随杂质含量的增加而劣化,因此在制品要求高强度和优良透光性能时,必须采用高纯度的Al2O3 粉末原料,一般采用如下方法制取:1.铵明矾热解法2.有机铝盐加水分解法3.铝的水中放电分解法4.铝的铵碳酸盐热分解法Al2(NH4)2(SO4)424H2O Al2(NH4)2(SO4)4H2O +23H2O Al2(NH4)2(SO4)4H2O A12(SO4)3 SO3 2NH3+2H2O A12(SO4)3 Al2O33 SO3-Al2O3 -Al2O3例:硫酸铝铵Al2(NH4)2(SO4)424H2O在空气中热分解制备Al2O3粉体:Al2
7、O3陶瓷的制备陶瓷的制备v预烧与晶型转变 Al2O3生产中预烧具有以下作用:使-Al2O3转变为稳定的-Al2O3。这样制品在烧成时的线收缩可以从22%降低为14%,或者体积收缩从53%降低为37%。煅烧后的Al2O3可能形成极细小的-Al2O3单晶颗粒。球状Al2O3的脆性提高,易于研磨。预烧还可以排除原料中的杂质Na2O,提高原料的纯度,从而提高产品的性能。磨细与配料磨细与配料氧化铝陶瓷的成型氧化铝陶瓷的成型v 氧化铝陶瓷成型的方法有许多种,依产品的形状、大小、复杂性与精度等要求选用合适的成型方式。最常用的方法有干压法成型干压法成型、注浆成型注浆成型、挤压成型挤压成型、冷等静压法成型冷等静
8、压法成型(CIP),注射成型注射成型、流延成型流延成型、热压成型热压成型与热热等静压成型等静压成型(HIP)以及近几年来新开发的压滤压滤成型成型、凝胶注成型凝胶注成型、固体自由成型制造技术固体自由成型制造技术等。烧烧 结结常见的几种烧结工艺均可以常见的几种烧结工艺均可以 用用 来制备来制备 氧化铝氧化铝 陶陶 瓷材料,不瓷材料,不同的方法所得材料具有不同的优点。同的方法所得材料具有不同的优点。采用烧结助剂无疑是一采用烧结助剂无疑是一种比较好的烧结方法。种比较好的烧结方法。影响氧化铝陶瓷烧结的因素影响氧化铝陶瓷烧结的因素v影响氧化铝陶瓷烧结的因素主要是烧成工艺制度和氧化铝粉体的性状烧成制度:透明
9、氧化铝陶瓷透明氧化铝陶瓷透明氧化铝陶瓷的制备透明氧化铝陶瓷的制备氧化铝陶瓷的性能和应用氧化铝陶瓷的性能和应用v氧化铝陶瓷的用途是十分广泛的,根据氧化铝含量不同,其性能不同,用途也各有差异。v机械强度高机械强度高:氧化铝烧结后的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。氧化铝的成分愈纯,强度愈高。强度在高温下可维持到900。利用氧化铝陶瓷的这一性质可以制成装置瓷装置瓷和其他机械构件。氧化铝装置瓷氧化铝装置瓷v电阻率高,电绝缘性好电阻率高,电绝缘性好:氧化铝的常温电阻率约为1015cm,绝缘强度15Kv/mm,利用其绝缘性和强度可制成各种基板、管座、火花塞和电路外壳等氧化铝火花塞氧化铝火
10、花塞v硬度高硬度高:莫氏硬度为9,加上优良的抗磨损性,所以广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。用A12O3陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件时,可以以高的切削速度获得高的精度。v熔点高,抗腐蚀:熔点高,抗腐蚀:氧化铝的熔点为2050,能较好地抵抗一些熔融金属的侵蚀,可用作耐火材料、炉管,热电偶保护套等。v化学稳定性好:化学稳定性好:许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与A12O3作用。因此A12O3可以制备人体关节、人工骨等生物陶瓷材料。v光学特性光学特性氧化铝陶瓷可以制成用于高压纳灯的透明陶瓷灯管。钠蒸气放电可获得一
11、种高效率的光源。但是钠蒸气放电会产生超过1000的高温,而且钠是一种非常活泼的金属,有很强的腐蚀性,用玻璃制成的灯管无法耐受,而一时又找不到能在高温下抵抗钠蒸气腐蚀的合适灯管材料。透明氧化铝陶瓷的熔点高达2050,能在1600的环境里不受钠蒸气的腐蚀,而且可以通过95的光线。有了它,高压钠灯才在1960年呱呱坠地,并经过不断改进,得到了实际应用。除了高压钠灯外,透明陶瓷还适用于制造其他新型的灯具,如钾灯、铷灯、铯灯、金属卤化物灯等高熔点高硬度可制成透明陶瓷无毒、不溶于水,强度高主要特性主要用途坩埚刚玉球磨机高压钠灯的灯管水龙头阀门芯 将氧化铝陶瓷主要特性和主要用途一对应并连线氧化铝陶瓷的不足氧
12、化铝陶瓷的不足v氧化铝陶瓷材料的脆性极大地限制了它的推广应用!为了减小脆性,除了采用先进的制备工艺外,人们研究了许多增韧的手段。vZrO2相变增韧、纳米技术增韧、晶须和纤维增韧、颗粒弥散增韧、复合增韧、表面改性增韧等。氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷v氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一种很重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能(如它的断裂韧性高于氧化铝陶瓷),因而越来越受到人们的重视。v纯净的ZrO2为白色粉末,含有杂质时略带黄色或灰色。氧化锆有三种晶相,分别为单斜晶相、四方晶相和立方晶相,三者之间的转变关系如下v单斜ZrO2转变为四方ZrO2会产生78%的体积收缩,而逆向转变则会有相应的体积
13、膨胀,实际生产过程中一般采用添加稳定剂(CaO、MgO、Y2O3、CeO2)的方法来制备氧化锆陶瓷材料。ZrO2粉体的制备粉体的制备ZrO2粉体的稳定化处理粉体的稳定化处理氧化锆陶瓷的制备氧化锆陶瓷的制备vZrO2陶瓷成型可采用注浆法或干压法成型。注浆成型时,可向ZrO2细粉中加入少量的阿拉伯树胶和20左右蒸馏水,具有良好的注浆性能浆料用热压法可制得透明ZrO2陶瓷。粉料中粗颗粒多,则体积收缩小,细颗粒多则产品致密度高,烧成温度为1650-1800,保温24小时。v制备稳定ZrO2时,可采用电熔合成法(约1000)及高温合成法(16001650保温4小时)。电熔合成的ZrO2反应完全,部分或全
14、部为等轴固溶体。高温合成的ZrO2 中还有一定量的单斜ZrO2。ZrO2陶瓷增韧机制陶瓷增韧机制v氧化锆增韧机制有多种氧化锆增韧机制有多种:相变增韧 微裂纹增韧 弥散增韧 相变增韧相变增韧微裂纹增韧微裂纹增韧弥散增韧弥散增韧氧化锆陶瓷性质与应用氧化锆陶瓷性质与应用Y稳定的TZP陶瓷由于具有良好的性能,因此在很多领域都有广泛的应用。v磨介:磨介:YTZP相对于锆珠、氧化铝球、玻璃球和钢球而言,其耐磨性最好,目前正逐步取代其他磨介,在涂料等行业中广泛应用。用量最大的就是磨球,国内主要有深圳南玻深圳南玻等厂商在生产。工艺路线为干压和等静压成形工艺,以等静压工艺为主。磨介市场非常广阔,虽然普通的磨球市
15、场已经饱合,但是各种研磨罐、搅拌磨中的磨盘和磨头等由于制备工艺相对复杂,仍主要以国外产品为主。v切割应用切割应用:在特定的切割应用中,YTZP占据了一定的市场份额,特别是对一些韧性和强度要求不是很高的场合,YTZP刀具得到了极大的发展。例如光纤剪刀、切纸刀、民用刀具和理发推剪等。其中发展比较成功的是京瓷京瓷的民用刀具,经过近十年的发展已经成为一个国际品牌。v阀类应用:这类应用市场范围广泛。最典型的产品是氧化锆水阀片氧化锆水阀片。氧化锆主要用于制作油田和化工行业中用的球阀球阀等。国内有深圳南玻等厂商在生产。工艺路线主要采用等静压工艺。这类产品加工和成品率非常重要,部件大,成品率对成本影响很大。v
16、陶瓷轴承:陶瓷轴承:在陶瓷轴承方面,氧化锆陶瓷相对于氮化硅陶瓷并不是最好,其主要优势是成本较低。可用于抗腐蚀、避免污染的场合,如食品工业等。另外一个领域就是新开发的陶瓷风扇陶瓷风扇,这大大拓展了氧化锆陶瓷轴承的应用空间。富士通公司首先推出了陶瓷轴承风扇,获得了较好的市场响应。轴芯全面采用轴芯全面采用3nm3nm氧化锆氧化锆 v生物应用:生物应用:研究表明,氧化锆在人体口腔中无过敏现象,在合理设计的前提下,可保证使用50年年依然坚固.氧化锆可以用于几乎所有的义齿设计中,它使牙桥制做的长度不再有限制-无论是螺栓固定式或粘接式。它 也是用于种植牙技术的最好材料。实际上,氧化锆全瓷牙已不再是单纯的义意
17、上的义齿,它更适用于人们对美的越来越高的追求!氧化锆氧化锆:坚如钢坚如钢,白如雪白如雪!v个人用品:个人用品:氧化锆陶瓷耐磨性好,硬度高,可以抛光抛光且外观美观,因此可作为手表带、表壳及其他装饰部件。陶瓷表源于瑞士雷达表,后来国内有优尼克、潮州三环和北京建材院下属公司等一些企业开始生产。目前主要生产表带,以黑和白为主,蓝、金和红等其他颜色也已开发出来,制备工艺以热压铸和干压为主。v光纤连接器用陶瓷:光纤连接器用陶瓷:光纤连接器与光纤跳接线是光纤网路中应用面最广且需求量最大的光无源器件。但是目前国际上只有美日等发达国家有技术生产氧化锆插芯和套筒,其毛坯生产技术在国内还是空白。陶瓷插芯毛坯由于内含
18、一个0.1mm的小孔,且对尺寸同心度的要求都很高,因此采用传统的陶瓷材料成型方法难以制备,只有通过注射成型的方法才有可能。日本精工二氧化锆陶瓷插芯日本精工二氧化锆陶瓷插芯 套筒套筒氧化铍陶瓷氧化铍陶瓷v氧化铍陶瓷是以氧化铍为主要成分的陶瓷。纯氧化铍(BeO)属立方晶系。密度3.03g/cm3。熔点2570。具有很高的导热性导热性,几乎与纯铝相等,还有很好的抗热震性。其介电常数67。最大缺点是粉末有剧毒剧毒性,且使接触伤口难于愈合。氧化铍陶瓷制备氧化铍陶瓷制备v由于杂质对氧化铍陶瓷性能具有很大影响,因此需要制取高纯的氧化铍粉体。制备时以国产工业级氧化铍粉体为主原料,经物理除杂后,用酸溶解配制成铍
19、盐水溶液。采用多次连续化学除杂工序去除溶液中所含W、Nb、Fe、Pb等20多种杂质元素,再经沉淀及煅烧制得平均粒径为20nm、氧化铍纯度达99.18%以上的无强团聚的近球形粒子氧化铍粉体。v氧化铍陶瓷的制备一般分为冷压烧结和热压烧结。添加质量分数为1%以下的MgO、TiO2、Fe2O3可以促进氧化铍的烧结。冷压在100MPa下进行,压坯在1800下烧结10min,密度可达2.65g/cm3。热压压力1.4MPa,温度1800,时间10min,密度达2.96g/cm3。氧化铍陶瓷应用氧化铍陶瓷应用v氧化铍陶瓷(BeO)因其具有高热导率高热导率、高熔点高熔点(253010)、高强度、高绝缘性、高的
20、化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点,在特种冶金、真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。尤其是在大功率半导体器件、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中,BeO一直是制备高导热高导热元部件的主流陶瓷材料。v核技术材料:核技术材料:BeO具有高的中子散射截面,可以将核反应堆中泄露出来的中子反射回反应堆内,因而已经被广泛用作原子反应堆中的中子减速剂(反射器)和防辐射材料此外,BeO优异的热、红外光学性能及热激发射特性,使其适合用于热荧光、外电子发射和电子顺磁共振剂量计中的探头。v真空和电子材料:高的热导率和低的介电常数是BeO材料在真空和电子技术领域得
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