第五章 高温结构陶瓷.ppt

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1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院高温结构陶瓷材料高温结构陶瓷材料氧化物陶瓷：Al2O3 2050,ZrO2 2713,MgO 2800,BeO 2530,ThO2 3050,碳化物陶瓷:SiC 2600,B4C 2350,TiC 3107氮化物陶瓷:Si3N4 1900,Sialon,AlN 2450,BN 3000,TiN 2950 硼化物陶瓷 ZrB2 3040,TiB2 2960硅化物陶瓷:MoSi2 2030复合物陶瓷:（1）金属陶瓷 （2）纤维增强复合材料,（3）陶瓷-晶须复合材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院 第五章第五章 氧化物高温陶瓷氧化物高温陶瓷第一节第一节 氧化铝

2、陶瓷氧化铝陶瓷一、氧化铝陶瓷类型与结构一、氧化铝陶瓷类型与结构 以以-Al2O3为主晶相陶瓷材料。其含量一般在为主晶相陶瓷材料。其含量一般在75 99.9%。含量：含量：75瓷、瓷、85瓷、瓷、95瓷、瓷、99瓷瓷 主晶相：莫来石瓷（主晶相：莫来石瓷（45 75%)、刚玉、刚玉-莫来石瓷莫来石瓷 （70 90%)、刚玉瓷（、刚玉瓷（90 99.9%)其主要晶型与制备工艺密切相关：其主要晶型与制备工艺密切相关：分类分类材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 -Al2O3 尖晶石型，尖晶石型，立方结构，立方结构，3.60g/cm3.60g/cm3 3高温不稳定，力

3、学性能差，结构松散。高温不稳定，力学性能差，结构松散。-Al2O3 MeO6 Al2O3，Me2O11Al2O3，六方，六方，3.30 3.63g/cm3其结构如右图：其结构如右图：R+、R2+、Al11O12由于结构特点，呈现离子型导电。由于结构特点，呈现离子型导电。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 -Al2O3 三方结构，单位晶胞三方结构，单位晶胞-菱面体，其它变体在菱面体，其它变体在1000 1600时不可逆转变为时不可逆转变为型，结构致密，活性低型，结构致密，活性低 熔点：熔点：2050，真比重，真比重 3.96 4.01,硬度：莫氏硬度：莫氏9，强度：强度：250 550MPa,

4、160 380MPa（1000）热导率：热导率：20W/mK,热膨胀系数：热膨胀系数：7.8-8.610-6/比热：比热：0.2kcal/kg，电阻率：电阻率：101415cm，介电常数，介电常数9.5-10，介质损耗，介质损耗10-4 材料科学与工程学院材料科学与工程学院二、二、Al2O3原料的制备原料的制备1.工业纯氧化铝工业纯氧化铝 碱法碱法 -Al2O3（0.1um粒子组成的多孔球，气孔率粒子组成的多孔球，气孔率30%，粒径，粒径3070um）2.高纯氧化铝高纯氧化铝 化学法化学法3.电熔刚玉料电熔刚玉料 Al2O3(xSiO2yFe2O3zTiO2)+vCAl2O3+vCO+Fe2y

5、SixTiz 温度：温度：2000 2400材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、刚玉瓷三、刚玉瓷1.原料的处理原料的处理 煅烧、粉磨（球磨、振动磨、星型煅烧、粉磨（球磨、振动磨、星型磨、气流磨等磨、气流磨等）煅烧目的：煅烧目的：1）稳定晶型）稳定晶型2）减少收缩）减少收缩 （-Al2O3-Al2O3 V=13%）3）降低）降低钠离子含量，提高原料离子含量，提高原料纯度及度及 产品品质量量煅煅烧质量量检验：1）XRD2）染色法）染色法3）光学）光学显微微镜法法4）真密度法）真密度法材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.成型成型 （1）干压）干压 （2）挤制成型及轧膜成型）挤制成型及轧膜成型

6、 （3）流延法）流延法（4）热压铸成型）热压铸成型 （5）注浆成型）注浆成型 （6）等静压成型）等静压成型（7）注凝成型）注凝成型3.烧成烧成 1）降低烧成温度）降低烧成温度:(1)原料细度；原料细度；(2)成型密度；成型密度；(3)烧结助剂；烧结助剂；(4)玻璃熔块玻璃熔块 2）气氛对烧结的影响）气氛对烧结的影响:致密度致密度:Ar H2 NH3 O2 N2 air 抑制晶粒长大抑制晶粒长大:Ar air N2 O2 H2 NH3材料科学与工程学院材料科学与工程学院4.烧结烧结Al2O3中的添加剂中的添加剂 1)与与Al2O3生成固溶体：生成固溶体：TiO2、Cr2O3、Fe2O3、Mn2O

7、3等等 2)与与Al2O3生成液相：高岭土、硼镁石、生成液相：高岭土、硼镁石、MgO、CaO、SiO2、BaO等等 A.MgO 细晶，加入量细晶，加入量0.04 0.61%，不大于不大于2%B.SiO2 低共熔体低共熔体 低共熔点：低共熔点：MgO-Al2O3-SiO2 1345 CaO-Al2O3-SiO2 1170 BaO-Al2O3-SiO2 1030 CaO-B2O3-Al2O3-SiO2 997 C.CaO 电性能较好，电性能较好，C/S比比=1佳，避免佳，避免S/C=2.16 D.Cr2O3 提高硬度，提高硬度，3%时达最大时达最大材料科学与工程学院材料科学与工程学院5.几种典型的

8、几种典型的95瓷配方瓷配方材料科学与工程学院材料科学与工程学院四、氧化铝的性质和用途四、氧化铝的性质和用途 性性 能能测试条件测试条件75瓷瓷90瓷瓷95瓷瓷99瓷瓷体积密度体积密度(g/cm3)3.23.43.63.7抗弯强度抗弯强度(108)1.962.252.242.24线膨胀线膨胀系系 数数(10-6/)2010020500208006/6.37.36.37.3/6.2756.58.0/6.2756.58.0介电常数介电常数1MHz10GHz9/8.59.5/910910910.5910.5介电损耗介电损耗1MHz10GHz10/8/4102.56材料科学与工程学院材料科学与工程学院用

9、用 途：途：1）电阻大：电路基板、绝缘装置瓷等）电阻大：电路基板、绝缘装置瓷等2）强度大：刀具、轴承、喷嘴等）强度大：刀具、轴承、喷嘴等3）化学稳定性好：化工、生物陶瓷等）化学稳定性好：化工、生物陶瓷等材料科学与工程学院材料科学与工程学院五、黑色氧化铝陶瓷五、黑色氧化铝陶瓷 集成电路的光敏性集成电路的光敏性 遮光性，数码管遮光性，数码管 显示清晰显示清晰 材料科学与工程学院材料科学与工程学院六、透明六、透明Al2O3陶瓷陶瓷 高致密度高致密度 晶界上无空隙、无杂质或玻璃相晶界上无空隙、无杂质或玻璃相透明条件透明条件 晶粒细小均匀晶粒细小均匀 晶体对光的吸收小晶体对光的吸收小 无光学各向异性（立

10、方）无光学各向异性（立方）表面光洁度高表面光洁度高高纯度、高致密化入手：高纯度、高致密化入手：1.原料原料 2.配方配方 3.等静压成型等静压成型 4.真空或氢气等气氛烧结真空或氢气等气氛烧结 5.晶粒尺寸晶粒尺寸 20m,Dm/Da在在1.8以内以内材料科学与工程学院材料科学与工程学院第二节第二节 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷一、概述一、概述 是一种十分重要的结构陶瓷，有许多优良特性，特别是断裂韧性高。氧化锆的晶型转变：氧化锆的晶型转变：单斜单斜-ZrO2 四方四方-ZrO2 立方立方-ZrO2 液相材料科学与工程学院材料科学与工程学院氧化锆晶胞参数：氧化锆晶胞参数：ZrO2（c）:Fm3m ac=

11、5.124 d=6.27g/cm3ZrO2（t）:P42/nmc at=5.094 ct=5.177 d=6.10g/cm3ZrO2（m）:P21/c am=5.156 bm=5.191 cm=5.304 =98.90 d=5.65g/cm3材料科学与工程学院材料科学与工程学院特点：单斜特点：单斜-ZrO2向四方向四方-ZrO2转变有转变有7%左右体积变化左右体积变化 加热：单斜加热：单斜-ZrO2 四方四方-ZrO2 体积收缩体积收缩 相变温度约相变温度约1200 冷却：四方冷却：四方-ZrO2单斜单斜-ZrO2 体积膨胀体积膨胀 相变温度约相变温度约1000材料科学与工程学院材料科学与工程

12、学院二、氧化锆粉料的制备二、氧化锆粉料的制备1.氯化、热分解法氯化、热分解法 ZrO2SiO2+C+Cl2 ZrCl4+SiCl4+4CO ZrCl4 水解水解 ZrOCl2 煅烧煅烧 ZrO22.碱金属氧化物分解法碱金属氧化物分解法 ZrO2SiO2+4NaOH Na2ZrO3+Na2SiO3+H2O Na2ZrO3 水洗水洗 复杂水合氢氧化物复杂水合氢氧化物 硫酸洗涤并硫酸洗涤并稀释，调节稀释，调节Ph值值 Zr5O8(SO4)2 XH2O 煅烧煅烧ZrO2粉料粉料材料科学与工程学院材料科学与工程学院三、高纯超细氧化锆粉料的制备三、高纯超细氧化锆粉料的制备 高纯超细四方氧化锆制备方法很多：

13、共沉淀法、醇盐水高纯超细四方氧化锆制备方法很多：共沉淀法、醇盐水解法、水热法、溶胶解法、水热法、溶胶-凝胶法凝胶法1.Ph值值2.稳定剂稳定剂 Y2O3晶型稳定剂，晶型稳定剂，可得到部分稳定氧化锆可得到部分稳定氧化锆和完全稳定氧化锆。通和完全稳定氧化锆。通常常3%(mol)Y2O3可得到可得到部分稳定氧化锆。部分稳定氧化锆。材料科学与工程学院材料科学与工程学院全部全部(部分部分)稳定化氧化锆稳定化氧化锆 加入百分之几到十几的加入百分之几到十几的CaO、MgO、Y2O3、CeO等金等金属氧化物作稳定剂属氧化物作稳定剂,预防晶型转变体积变化而开裂预防晶型转变体积变化而开裂,以维持氧以维持氧化锆高温

14、立方相，这种立方固溶体的氧化锆称为全部化锆高温立方相，这种立方固溶体的氧化锆称为全部(部分部分)稳定化氧化锆。稳定化氧化锆。添加剂含量与氧化锆晶型（添加剂含量与氧化锆晶型（12%mol)12%mol)复合添加剂、单一添加剂复合添加剂、单一添加剂 材料科学与工程学院材料科学与工程学院部分稳定剂部分稳定剂ZrO2的二元相图的二元相图材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院四、四、ZrO2陶瓷增韧机理：陶瓷增韧机理：陶瓷材料结构决定其缺乏象金属那样在受力状态下发生滑陶瓷材料结构决定其缺乏象金属那样

15、在受力状态下发生滑移，引起塑性变形能力。一般情况下，陶瓷材料的相变将引起内移，引起塑性变形能力。一般情况下，陶瓷材料的相变将引起内应力，从而对材料带来破坏性影响，因此尽量避免，但有时利用应力，从而对材料带来破坏性影响，因此尽量避免，但有时利用它提高陶瓷材料的断裂韧性和强度。它提高陶瓷材料的断裂韧性和强度。四方四方-ZrO2单斜单斜-ZrO2 马氏体相变（一级相变）马氏体相变（一级相变）1.马氏体相变马氏体相变 仅能在固态转变中发生，具有成核和生长两过程，仅能在固态转变中发生，具有成核和生长两过程，无扩散无扩散型相变，特点：型相变，特点：1）没有成分变化，没有成分变化，新旧相之间保持一定的位相关

16、系新旧相之间保持一定的位相关系，原子，原子间有位移变化，因此相变具有无热、无扩散、相变激活能小，速间有位移变化，因此相变具有无热、无扩散、相变激活能小，速度快等特点。因此为吸收断裂能和材料增韧提供了条件。度快等特点。因此为吸收断裂能和材料增韧提供了条件。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2）有体积变化）有体积变化 3）相变具有可逆行，相变不是在固定温度下完成，而）相变具有可逆行，相变不是在固定温度下完成，而是在一个温度范围内进行是在一个温度范围内进行 4）马氏体内往往存在亚结构）马氏体内往往存在亚结构材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.ZrO2陶瓷增

17、韧机制陶瓷增韧机制 应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、裂纹分支增韧、裂纹弯应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、裂纹分支增韧、裂纹弯曲和偏转增韧、相变产生表面压应力增韧、残余应力韧化、复曲和偏转增韧、相变产生表面压应力增韧、残余应力韧化、复合韧化。合韧化。1）应力诱导相变增韧）应力诱导相变增韧 ZrO2颗粒弥散在其它陶瓷基体中，由于两者具有不同的热颗粒弥散在其它陶瓷基体中，由于两者具有不同的热膨胀系数，冷却过程中，膨胀系数，冷却过程中，ZrO2的相变受到抑制，当材料受到的相变受到抑制，当材料受到外应力作用，基体对外应力作用，基体对ZrO2的压抑作用得到松弛，的压抑作用得到松弛，ZrO2颗粒将颗粒将发生四方

18、相向单斜相转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收发生四方相向单斜相转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果，即主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果，即ZrO2相变增相变增韧。韧。ZrO2颗粒尺寸、四方相含量密切相关颗粒尺寸、四方相含量密切相关材料科学与工程学院材料科学与工程学院 应力诱导相变增韧裂纹扩展、尖端应力场、过程区、应力诱导相变增韧裂纹扩展、尖端应力场、过程区、相变、断裂表面及体积膨胀均吸收能量、压应力阻碍裂相变、断裂表面及体积膨胀均吸收能量、压应力阻碍裂纹扩展。纹扩展。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2）微裂纹增韧）微裂纹增韧 部分稳定部分稳

19、定ZrO2陶瓷在由四方相相向单斜相转变，相变出陶瓷在由四方相相向单斜相转变，相变出现了体积膨胀而导致产生微裂纹。同时，裂纹在扩展过程中现了体积膨胀而导致产生微裂纹。同时，裂纹在扩展过程中在其尖端区域又形成应力又将诱发相变导致微裂纹，都将起在其尖端区域又形成应力又将诱发相变导致微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用，从而提高了断裂能，称为微着分散主裂纹尖端能量的作用，从而提高了断裂能，称为微裂纹增韧。裂纹增韧。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院裂纹分支增韧裂纹分支增韧 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 微裂纹增韧的机理：四方氧化锆向单斜氧化锆转变引起微

20、裂纹增韧的机理：四方氧化锆向单斜氧化锆转变引起体积膨胀，同时诱发了弹性应变能或激发产生微裂纹，阻碍体积膨胀，同时诱发了弹性应变能或激发产生微裂纹，阻碍了主裂纹的扩展或释放其能量，达到韧性提高强度目的。了主裂纹的扩展或释放其能量，达到韧性提高强度目的。控制氧化锆弥散粒子相变过程的几个因素：A 氧化锆的颗粒尺寸氧化锆的颗粒尺寸 B 氧化锆颗粒分布状态氧化锆颗粒分布状态 C 氧化锆的体积分数及均匀的分散性氧化锆的体积分数及均匀的分散性 D 基体与氧化锆热膨胀系数匹配基体与氧化锆热膨胀系数匹配 E 控制氧化锆基弥散粒子的化学性质控制氧化锆基弥散粒子的化学性质材料科学与工程学院材料科学与工程学院3）由相

21、变产生表面压应力增韧）由相变产生表面压应力增韧材料科学与工程学院材料科学与工程学院五、氧化锆陶瓷性能与用途五、氧化锆陶瓷性能与用途1.性能性能 1）熔点：）熔点：2715 2）密度大，硬度高）密度大，硬度高 3）机械性能好，抗弯强度和断裂韧性高）机械性能好，抗弯强度和断裂韧性高材材 料料KIC(MPa.m3/2)材材 料料KIC(MPa.m3/2)ZrO2-Y2O36 9Si3N44.8 5.8ZrO2-CaO9.6SiC3.4ZrO2-MgO5.7B4C6.0ZrO2(部分部分+全部）全部）1.1Al2O34.5Al2O3-ZrO29.8尖晶石尖晶石1.3材料科学与工程学院材料科学与工程学院

22、2.用途用途 1）绝热内燃机材料：汽车内衬、活塞顶、凸轮等）绝热内燃机材料：汽车内衬、活塞顶、凸轮等 2）高温绝热材料）高温绝热材料 3）耐火材料及冶炼坩埚）耐火材料及冶炼坩埚 4）导电材料）导电材料 5）隔热涂层）隔热涂层 采用等离子喷涂技术，在高温合金涡轮叶片上，提高采用等离子喷涂技术，在高温合金涡轮叶片上，提高发动机工作温度发动机工作温度50 200材料科学与工程学院材料科学与工程学院六、六、ZrO2增韧陶瓷的种类增韧陶瓷的种类 ZTC：Zirconia Toughening Ceramics1、PSZ:Partially Stabilized Zirconia (Mg-PSZ,Ca-P

23、SZ,Y-PSZ,如如8mol%MgO-ZrO2)2、FSZ:Fully Stabilized Zirconia (18mol%CaO-ZrO2)3、TZP:Tetragonal Zirconia Polycrystals (2.5 3.0mol%Y2O3-ZrO2)4、ZTA:Zirconia Toughening Aluminia5、ZTM:Zirconia Toughening Mullite6、其他其他：包括：包括ZrO2增韧氮化硅、尖晶石、氧化锌等增韧氮化硅、尖晶石、氧化锌等材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院氧化锆增韧氧化铝陶瓷氧化锆增韧氧化铝陶

24、瓷（ZTA）1.工艺工艺 1）ZrO2颗粒细小，分布颗粒细小，分布要窄；要窄；2）ZrO2、Al2O3复合粉复合粉料均匀分散；料均匀分散；3）成型）成型 4）烧成烧成2.性能性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院氧化锆增韧莫来石陶瓷（氧化锆增韧莫来石陶瓷（ZTM）1.工艺方法工艺方法 1）直接混合法）直接混合法 2）包裹法）包裹法 3）原位反应烧结法）原位反应烧结法 2ZrSiO4+3Al2O3 3Al2O3 2SiO2+2ZrO2 2.性能性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院第三节第三节 氧化铍陶瓷氧化铍陶瓷一一、氧化铍的结构、氧化铍的结构 六方晶系、氧原子六方密堆，铍原子处于中间。六方晶系、氧原子六方密堆，铍原子处于中间。二二、氧化铍的性质、氧化铍的性质 熔点：熔点：2530 2570 密度：密度：3.03g/cm3 莫式硬度：莫式硬度：9 导热系数：导热系数：209.34W/m.K 热膨胀系数：热膨胀系数：5.1 5.8*10-6/电性能：电性能：良好的核性能：良好的核性能：有毒：有毒：