第五组-----氧化锆陶瓷基复合材料.ppt

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1、第五组汇报人：曹巧玲组 员：曹巧玲 顾明星 产文斌 程言营 邹庆元 张猛刚 周雷 周洋内容提要：内容提要：l氧化锆陶瓷的特点、性能及种氧化锆陶瓷的特点、性能及种类类l氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷增韧的机理增韧的机理l氧化锆陶瓷复合材料的应用氧化锆陶瓷复合材料的应用氧化锆陶瓷的特点、性能氧化锆陶瓷的特点、性能特点：特点：纯纯ZrO2ZrO2为白色，含杂质时呈黄色或灰色，添加显为白色，含杂质时呈黄色或灰色，添加显色剂还可显示各种其它颜色。纯氧化锆的分子量色剂还可显示各种其它颜色。纯氧化锆的分子量123.22123.22，理论密度是，理论密度是5.89g/cm35.89g/cm3，熔点为，熔点为2715 2

2、715。性能：性能：化学性能稳定，除硫酸和氢氟酸外，对酸、碱及化学性能稳定，除硫酸和氢氟酸外，对酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属具有很好的稳定性。热碱熔体、玻璃熔体和熔融金属具有很好的稳定性。热导率低、热稳定性好及高温蠕变小是氧化锆陶瓷的最导率低、热稳定性好及高温蠕变小是氧化锆陶瓷的最主要特征。纯二氧化锆陶瓷致密烧结体变形温度高达主要特征。纯二氧化锆陶瓷致密烧结体变形温度高达2400240025002500，一般纯工业二氧化锆生产的制品蠕变，一般纯工业二氧化锆生产的制品蠕变温度也达温度也达22002200。具有极好的耐磨性，与三氧化二铝。具有极好的耐磨性，与三氧化二铝陶瓷相比，其磨损率为陶瓷

3、相比，其磨损率为 0 0：1515。氧化锆陶瓷种类氧化锆陶瓷种类1.1.稳定氧化锆陶瓷类稳定氧化锆陶瓷类 由于纯氧化锆硬度很大由于纯氧化锆硬度很大 ,且发生相变时伴随有且发生相变时伴随有 3 35%5%的体积变化的体积变化 ,所以无法制备出理想的制品所以无法制备出理想的制品 ,必须进行晶型稳定化处理。常用的稳定剂必须进行晶型稳定化处理。常用的稳定剂(如如MgO,CaO,Y2 O3MgO,CaO,Y2 O3或或 CeO2CeO2等稀土氧化物等等稀土氧化物等)阳阳离子半径与离子半径与 Zr Zr 4+4+相近相近(相差在相差在 12%12%以内以内),),在在 ZrO2ZrO2中溶解度很大中溶解度

4、很大 ,可以和可以和 ZrO2 ZrO2 形成置换型固形成置换型固溶体溶体 ,这种固溶体可以通过急冷处理保持稳定这种固溶体可以通过急冷处理保持稳定 ,不不再发生相变再发生相变,没有体积变化没有体积变化 ,称为稳定氧化锆陶瓷。称为稳定氧化锆陶瓷。2.2.部分稳定氧化锆部分稳定氧化锆(PartiallyStabilizedZirconia,PSZ)(PartiallyStabilizedZirconia,PSZ)类类 在氧化锆稳定化过程中在氧化锆稳定化过程中 ,如果稳定剂添加量不足如果稳定剂添加量不足 ,就就不会完全转化为稳定的立方相不会完全转化为稳定的立方相 ,而是由立方相和四方而是由立方相和四

5、方相混合组成的部分稳定结构。相混合组成的部分稳定结构。3.3.四方多晶氧化锆增韧陶瓷四方多晶氧化锆增韧陶瓷(TetragonalZirconiaPolycrystals,TZP)(TetragonalZirconiaPolycrystals,TZP)其临界粒径在其临界粒径在 0.10.110nm 10nm 范围内范围内 ,取决于稳取决于稳 定剂的固溶量和材料密度定剂的固溶量和材料密度 ,全部由四方相组成全部由四方相组成 ,理理 论上具有最好的韧性。论上具有最好的韧性。4 4 其它弥散氧化锆陶瓷其它弥散氧化锆陶瓷(DiffusedZirconiaCeramics(DiffusedZirconia

6、Ceramics,DZC),DZC)如氧化锆增韧莫来石陶瓷具有良好的高温力学性能如氧化锆增韧莫来石陶瓷具有良好的高温力学性能,但常温性能不理想。其它还有氧化锆增韧氮化硅陶瓷但常温性能不理想。其它还有氧化锆增韧氮化硅陶瓷和氧化锆增韧玻璃陶瓷等和氧化锆增韧玻璃陶瓷等 。5.氧化锆的晶型种类：u单斜（Monoclinic）氧化锆（m-ZrO2）u四方（Tetragonal）氧化锆（t-ZrO2）u立方（Cubic）氧化锆（c-ZrO2）在低温段（950）为单斜相，在中温段（12002370）为四方相，在高温段（2370 ）为立方相。氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷增韧的机理增韧的机理 1.1.应力诱发相变增韧应

7、力诱发相变增韧 如果四方相氧化锆的晶粒足够细如果四方相氧化锆的晶粒足够细 ,或者基体对或者基体对其束缚力足够大其束缚力足够大 ,冷却过程中四方相冷却过程中四方相 单斜相的单斜相的相变就可受到抑制相变就可受到抑制 ,四方相可稳定地保留到室温。四方相可稳定地保留到室温。当裂纹受到外应力作用扩展时当裂纹受到外应力作用扩展时 ,裂纹前端形成较裂纹前端形成较大的张应力大的张应力 ,使基体对四方相的约束力得到松弛使基体对四方相的约束力得到松弛 ,四方相相变为单斜相。此时相变就产生四方相相变为单斜相。此时相变就产生 3 35%5%的的体积膨胀和体积膨胀和 1 17%7%的剪切应变的剪切应变 ,并对基体产生压

8、并对基体产生压应变应变 ,使裂纹扩展受阻、主裂纹延伸需要的能量使裂纹扩展受阻、主裂纹延伸需要的能量增加。即在裂纹尖端应力场的作用下增加。即在裂纹尖端应力场的作用下 ,氧化锆晶氧化锆晶粒发生马氏体相变粒发生马氏体相变 ,吸收了能量吸收了能量 ,提高了断裂能提高了断裂能 ,从而提高了断裂韧性。图从而提高了断裂韧性。图 1 1 为应力诱导相变示意为应力诱导相变示意图。图。2.微裂纹增韧 陶瓷材料中,由于存在局部残余应力,在烧结体中有一定数量的微裂纹。这些微裂纹降低了作用区的弹性模量,受外力作用时微裂纹以亚临界裂纹缓慢扩展,释放主裂纹尖端的部分应变能,增加了由裂纹扩展面积增加所产生的总表面能主裂纹进一

9、步扩展所需的能量,有效地抑制了裂纹扩展,提高了断裂韧性,如图 2 所示。3.裂纹的弯曲和偏转增韧 裂纹的弯曲和偏转增韧的机理为:在裂纹的扩展路径上,放置一些障碍,阻碍裂纹的运动,使裂纹扩展时须改变方向。这些障碍可以是第二相粒子,也可以是第二相产生的应力集中或残余应力等当裂纹的扩展受到阻碍时,裂纹会弯曲绕过障碍物继续在同一平面内前进。裂纹也可能会偏转,试图完全避开障碍。在氧化锆增韧陶瓷中,这两种情况可同时发生。裂纹的弯曲、偏转增韧机理认增韧效果与温度无关,但如果残余应力来自于热膨胀系数失配,那么就会受到温度的影响。对氧化锆增韧陶瓷,裂纹的偏转通常发生在相变了的单斜相氧化锆颗粒周围。4.表面强化增

10、韧 表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的。由于 ZrO2 陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少,t-ZrO2容易转变为 m-ZrO2,而内部 t-ZrO2 由于受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此表面的 m-ZrO2比内部的多,而转变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应力,可以抵消一部分外加的拉应力,从而造成表面强化增韧。氧化锆陶瓷复合材料的应用氧化锆陶瓷复合材料的应用 在结构陶瓷方面 由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀

11、系数接近于高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。主要有主要有主要有主要有:Y-TZP:Y-TZP:Y-TZP:Y-TZP磨球、分散和研磨介质、喷嘴、磨球、分散和研磨介质、喷嘴、磨球、分散和研磨介质、喷嘴、磨球、分散和研磨介质、喷嘴、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、

12、光纤插球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、表壳及表带、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温表壳及表带、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温表壳及表带、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温表壳及表带、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温耐磨零器件等。耐磨零器件等。耐磨零器件等。耐磨零器件等。氧化锆磨介 砂磨机专用系列耐磨配件 氧化锆陶瓷刀氧化锆陶瓷刀在功能陶瓷方面 其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材其优

13、异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性能参数，主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料能参数，主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料能参数，主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料能参数，主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温发热体等领域。电池和高温发热体等领域。电池和高温发热体等领域。电池和高温发热体等领域。Zr02Zr02Zr02Zr02具有较高的折射具有较高的折射具有较高的折射具有较高的折射率，

14、在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素率，在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素率，在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素率，在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素(V205,Mo03,Fe203(V205,Mo03,Fe203(V205,Mo03,Fe203(V205,Mo03,Fe203等等等等)，可将它制成多彩的半透，可将它制成多彩的半透，可将它制成多彩的半透，可将它制成多彩的半透明多晶明多晶明多晶明多晶Zr02Zr02Zr02Zr02材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多彩的光芒，可制成各种装饰品

15、。另外，氧化锆在彩的光芒，可制成各种装饰品。另外，氧化锆在彩的光芒，可制成各种装饰品。另外，氧化锆在彩的光芒，可制成各种装饰品。另外，氧化锆在热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、纺织等领域正得到广泛应用。纺织等领域正得到广泛应用。纺织等领域正得到广泛应用。纺织等领域正得到广泛应用。加工完成的氧化锆全瓷冠加工完成的氧化锆全瓷冠 二氧化锆全瓷牙，是二氧化锆全瓷牙，是二氧化锆全瓷牙，是二氧化锆全瓷牙，是目前烤瓷牙中比较高档目前烤瓷牙中比较高档目前烤瓷牙中比较高档

16、目前烤瓷牙中比较高档的。它由电脑辅助制作，的。它由电脑辅助制作，的。它由电脑辅助制作，的。它由电脑辅助制作，材料对人体无刺激，生材料对人体无刺激，生材料对人体无刺激，生材料对人体无刺激，生物相容性很好，对人体物相容性很好，对人体物相容性很好，对人体物相容性很好，对人体不会产生什么不良反应不会产生什么不良反应不会产生什么不良反应不会产生什么不良反应。“氧化锆基陶瓷内螺旋轴衬”在污水处理设备上替代硬质合金材料应用，具有比硬质合金材料更耐腐蚀、更耐磨、不生锈、使用寿命长、设备效率大幅度提高的特点。“氧化锆复相陶瓷外螺旋轴套”是用于火力发电和燃油锅炉等离子点火器配套产品，可以实现煤粉锅炉无油点火和稳定燃烧，大幅度节省能源，具有可观的经济效益和巨大的社会效益。氧化锆陶瓷基复合材料是一类新型结构 陶瓷材料，与普通氧化锆相比除保持高强度和高韧性外，其硬度、耐磨性、耐热性都有显著提高。以瓷代钢已在信息电子、冶金、机械、石油化工、航空航天、生命科学等领域广泛应用。氧化锆陶瓷基复合材料发展现状氧化锆陶瓷基复合材料发展现状