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1、第二章 材料的科学魅力与社会进步,主讲教师： 孙士斌,1,教育课资,材料科学基础,无所不在的金属材料,古老又年轻的陶瓷材料,博采众长的复合材料,本章主要内容,2,教育课资,二、古老又年轻的陶瓷材料,3,教育课资,古老的陶瓷,人类最早、最伟大的文明创造。 自然物质与人类精神的完美结合。 新石器时代的标志。 中华文明的伟大象征之一 。,4,教育课资,陶器是用黏土或陶土为胎，经手制、轮制、模制等方法加工成型后，在8001000C高温下焙烧而成的物品。,亦称陶俑，是典型的陶制品。,秦兵马俑,5,教育课资,经过了几千年的发展，出现了瓷器。从陶到瓷，在技术上主要实现了三大突破： 瓷土的发现和利用 瓷土与陶
2、土相比，Fe2O3、CaO、MgO等称为助熔剂的物质明显减少，SiO2的含量也降至70%以下，而Al2O3的含量显著增加。 釉的发明和创新 釉是覆盖在瓷器表面的一种玻璃态的物质，它是用矿物（长石、方解石、石英、滑石、高岭土等）和颜料按照一定的比例配制而成，用多种方法施于陶瓷胚体表面。 烧制温度的提高 烧制温度从8001000提高到1200以上，相应配套的出现了窑炉。高温使釉料被熔融并均匀地覆盖在瓷器的表面，冷却后之地坚硬、光滑、不沾污、高度绝缘、色彩艳丽动人。,6,教育课资,最早出现于距今3000多年前的商周，后经过近1000年的发展，到汉代已日趋成熟，在唐、宋、元、明、清历代，造瓷技术水平登
3、峰造极。,7,教育课资,陶瓷定义,陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。,狭义定义：以粘土为主要原料，经高温烧制的制品，包括陶器，瓷器和炽器等。 广义定义：经高温烧制的无机非金属材料的总称，包括砖瓦、耐火材料、玻璃、水泥、石墨以及各种碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等。,8,教育课资,陶瓷的性能,(1)硬度是各类材料中最高的。 （高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)强度 理论强度很高：耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 (3
4、) 塑性极差：在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。 (4) 热膨胀性低，导热性差，较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）。 (5) 热稳定性抗热振性，在不同温度范围波动时不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）。 (6) 化学稳定性好：耐高温，耐腐蚀（抗液体金属、酸、碱、盐） (7) 导电性：大多数是良好的绝缘体，也有不少半导体（ZnO，TiO2等）。,9,教育课资,陶瓷的分类（根据成分）,按化学成分分类，陶瓷可分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷和复合陶瓷。 氧化物陶瓷 包括Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、Ca
5、O、CeO2、Cr2O4等。 碳化物陶瓷 包括SiC、B4C、WC、TiC、Cr3C2等。 氮化物陶瓷 包括Si3N4、AlN、TiN、BN等。 硼化物陶瓷 包括TiB2、ZrB2等。,10,教育课资,陶瓷的分类（根据性能）,按原料、性能和应用不同，陶瓷可分为传统陶瓷和现代陶瓷。 传统陶瓷 也称普通陶瓷，包括日用器皿、建筑和卫生用品等。 现代陶瓷 也称工程陶瓷、特种陶瓷或精细陶瓷，分为结构陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷三类。,11,教育课资,1、氧化物陶瓷,1）氧化铝陶瓷,成分： Al2O3少量SiO2,根据Al2O3的质量分数不同，氧化铝陶瓷可以分为75瓷(75%Al2O3)、95瓷(95%Al2
6、O3)和99瓷(99%Al2O3)。 Al2O3含量大于46%的氧化铝陶瓷称为高铝陶瓷，Al2O3含量为90-99.5%的氧化铝陶瓷称为刚玉瓷。,12,教育课资,氧化铝陶瓷，尤其是刚玉陶瓷结构稳定，具有很高的耐热性，可以在1600C下长期使用，蠕变小，而且不会氧化。 氧化铝陶瓷具有优良的电绝缘性和耐蚀性，在酸、碱腐蚀介质中能够安全工作。 氧化铝陶瓷的硬度较高，其硬度仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅。 氧化铝陶瓷的原料丰富，分布范围广。 氧化铝陶瓷的缺点是脆性大，耐冲击性差。,氧化铝性能,13,教育课资,氧化铝耐高温喷嘴,Al2O3化工、耐磨陶瓷配件,氧化铝陶瓷坩埚,氧化铝陶瓷被广泛用作
7、耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的整流罩及轴承等。,14,教育课资,氧化铝耐火砖,氧化铝轴承,陶瓷套管,15,教育课资,2）二氧化硅陶瓷,存在形成：硅石 玛瑙 水晶 石英 分为:晶体（石英和水晶），无定形（硅藻土）,二氧化硅用于制造平板玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料，是科学研究的重要材料。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。 自然界里比较稀少的水晶可用以制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。 较纯净的石英，可用来制造石英玻璃。石英玻璃膨胀系数很小，相当于 普通玻璃的1/18，能经受温度的剧变，耐酸
8、性能好（除HF外），因此常用来制造耐高温的化学仪器。,16,教育课资,精密仪器轴承,光导纤维,17,教育课资,2、碳化物陶瓷,18,教育课资,各种碳化物开始强烈氧化的温度,碳化物在非常高的温度下均会发生氧化，但许多碳化物的抗氧化能力都比W、Mo等高熔点金属好，这是因为在许多情况下碳化物氧化后所形成的氧化膜具有提高抗氧化性能的作用。,19,教育课资,1）碳化硅陶瓷（SiC）,硬度高(Hv=2840-3320)，强度好(室温300500MPa, 1400不下降)，热导率高(120W/m.K)，抗氧化性好(在空气中可在1500以下长期使用)。,原料的制备方法：化合法、碳热还原法、气相沉积法、自蔓延高
9、温合成法、有机硅前驱体法。 SiC陶瓷制备方法：热压烧结、常压烧结、反应烧结等。,20,教育课资,碳化硅陶瓷的应用领域,21,教育课资,22,教育课资,碳化硅窑具制品,碳化硅高温陶瓷,再结晶碳化硅辊棒与横梁,碳化硅涡轮转子,碳化硅滑动轴承,23,教育课资,2）碳化硼陶瓷（B4C）,B4C的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高温硬度(30GPa)是其他材料无可比拟的，故成为超硬材料家族中的重要成员。 在B4C中，硼与碳主要以共价键相结合(90%)，具有高熔点、高硬度、高模量、容重小(2.52gcm-3)、耐磨、耐酸碱腐蚀等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力，较低的膨胀系数
10、(5.0 x10-6K-1)、良好的热电性能，是一种重要的结构陶瓷材料。,24,教育课资,碳化硼-精细高级的研磨材料。由于碳化硼研磨效率高，作为研磨介质主要用于材料的磨细工艺中，如：宝石、陶瓷、刀具、轴承、硬质合金等硬质材料的磨削、研磨、钻孔及抛光等。 碳化硼-工业陶瓷材料的首选。由碳化硼粉末压制成的制品：喷砂嘴、密封环、喷管、轴承、泥浆泵的柱塞和火箭发射架、军舰、直升飞机的陶瓷途层等作为一种新型材料，具有高熔点、高硬度、高弹性模量、耐磨力强、自润性好等特点而被广泛用于喷砂机械、电子、信息、航空航天、汽车等行业。,B4C陶瓷的应用,25,教育课资,碳化硼屏蔽和控制材料-核工业的安全保障。碳化硼
11、材料由于其具有较大的热中子俘获截面，具有极好的吸收中子和抗辐射性能，被国际公认推荐为最佳的核反应堆的控制材料和屏蔽材料。 碳化硼防弹装甲-增强国防力量。由于强度高、比重小、特别适合在轻质防弹装甲中使用，如飞机、车辆、舰船和人体的防护。 碳化硼合金粉末-提高机械零部件的寿命。将碳化硼粉末同金属结合生成金属为基的合金粉末，经过这种材料做特殊的表面处理，使原有的机械零部件更加耐磨损且抗酸碱腐蚀性增强。,26,教育课资,碳化硼特种吸收体提供能力遨游太空。 有：“黑金子”之称的碳化硼，以粉末状态应用在能源上，作为传送火箭的固体燃料。 碳化硼添加剂化工行业的好伙伴。 由于化学性能稳定，碳化硼与酸、碱溶液不
12、起反应，具有高化学位，所以被大量用于生产其他含硼材料，如硼化锆、硼化钛等。 碳化硼高级耐火材料必不可少。 由于碳化硼具有抗氧化、耐高温的特性，被用作高级的定形和不定形耐火材料广泛应用在冶金各个领域，如钢铁炉具、窑具等。,27,教育课资,3）碳化钛陶瓷（TiC）,TiC属面心立方晶型，熔点高。 TiC陶瓷强度较高，导热性较好，硬度大。 化学稳定性好，不水解，高温抗氧化性好(仅次于SiC)。 在常温下不与酸起反应，但在硝酸和氢氟酸的混合酸中能溶解，于1000在氮气氛中能形成氮化物。,28,教育课资,TiC陶瓷硬度大，是硬质合金生产的重要原料，TiC和TiN、WC、Al2O3等原料制成各类复相陶瓷材
13、料，可用于制造耐磨原料、切削刀具材料、机械零件等，还可制作熔炼锡、铅、镉、锌等金属的坩埚。 透明TiC陶瓷是良好的光学材料。 多孔TiC陶瓷可作为耐高温材料以及用来制作过滤器和光催化材料，当TiC空隙率在50时，很适合用做人造骨骼。,碳化钛陶瓷的应用,29,教育课资,刀具材料的发展与进步对人类的文明史有着重要的影响，刀具的使用作为划分远古人类历史发展时期的标志。在新石器时代，人类开始采用打磨的石料作刀具；以后青铜和铁刀工具的出现也成为古代人类历史发展阶段的标志。 在历史上，刀具的发展走过了漫长的历程，不过，从1850年至今一百余年来，刀具材料获得快速的发展。 1898年高速钢工具问世，1923
14、年德国研制成功WC-Co硬质合金，并于1927年开始工业化生产，使切削加工技术的历史发生了两次革命性的进步。,陶瓷刀具,30,教育课资,31,教育课资,1905年德国人开始了用氧化铝制作陶瓷刀具的研究，1912年英国首获Al2O3陶瓷刀具专利。但是，直到20世纪50年代陶瓷刀具才真正达到实用化。 20世纪70年代人们研制成功了Al2O3+TiO2系统复合陶瓷刀具，使Al2O3陶瓷刀具走出了缓慢发展的低谷，成为解决超硬材冷加工的一种新型刀具材料。 20世纪70年代初美国生产的多晶金刚石刀具和多晶立方氮化硼刀具开始投放市场。 20世纪80年代初清华大学用热压氮化硅陶瓷和英国Lucas公司用Sial
15、on陶瓷（Si3N4和Al2O3的固溶体）制作刀具都取得良好的切削效果。 20世纪90年代以来，像纳米颗粒和晶须增强陶瓷刀具、陶瓷涂层刀具、梯度功能陶瓷刀具、超硬刀具材料等都得到了快速的发展，促进了加工制造业的技术进步。,32,教育课资,陶瓷刀具与传统的高速钢和硬质合金刀具相比，具有更好的红硬性和耐磨性。 与超硬材料金刚石和CBN相比，它具有更低的制造成本、更好的热稳定性和抗冲击能力。,刀具材料的发展趋势,33,教育课资,3、氮化物陶瓷,氮是具有最高电负性的元素之一，只有氧，氟和氯比它更高。 这就意味着氮化物由一大组化合物构成。,润滑剂，如HBN 切割材料，如Si3N4，CBN 绝缘体，如HB
16、N， Si3N4 半导体，如GaN 金属镀膜，如TiN，AlN 储氢材料，如Li3N,34,教育课资,1）氮化硅陶瓷（Si3N4）,氮化硅陶瓷强度高，韧性好，是最好的陶瓷材料之一。,氮化硅陶瓷有高的电阻率，高的介电常数，低的介质损耗,可用作电路基片，高温绝缘体，电容器，雷达天线等。,氮化硅有优良的化学稳定性。,氮化硅硬度高，摩擦系数低。,良好的高温抗氧化性。,35,教育课资,氮化硅陶瓷的应用,氮化硅基陶瓷刀具： (1)高硬度。 Si3N4陶瓷刀片的室温硬度值达到莫氏硬度9级，大大提高了切削能力和耐磨性。 (2)高强度。 Si3N4陶瓷刀片的抗弯强度目前可达9001000MPa，其抗压强度也与普
17、通硬质合金相当。 (3)高耐热性和抗氧化性。 Si3N4陶瓷刀具的高温性能特别好，在1000强度几乎不下降，即使在12001450切削高温下仍保持一定的硬度、强度进行长时间切削。 (4)高抗热震性。抗热震性是指材料在承受急剧温度变化时，其抗破损能力的重要指标。 Si3N4陶瓷刀具具有较高的抗弯强度、较高的导热率，低的热膨胀系数，中等的弹性模量，所以其抗热震性好。,36,教育课资,氮化硅陶瓷轴承 氮化硅陶瓷球轴承有两种形式。一种是滚珠(球)为陶瓷材料，内外圈仍为轴承钢制造，称为混合式球轴承;另一种是滚珠和内外圈都为陶瓷材料，称为全陶瓷球轴承。,混合式球轴承,37,教育课资,2）氮化硼陶瓷（BN）
18、,氮化硼（BN）共有三种结晶构造，分别是六方氮化硼（HBN），密排六方氮化硼（WBN）和立方氮化硼（CBN）。WBN和CBN是由HBN在高温、高压下转变而成，HBN在常压下是稳定相，WBN和CBN是高压稳定相，在常压下是亚稳相。,38,教育课资,六方氮化硼（HBN）具有类似石墨的层状结构，颜色为白色，所以向来有白石墨之称。,39,教育课资,立方氮化硼（简称CBN）硬度仅次于金钢石，但热稳定性远高于金钢石。磨削性能十分优异，其出现导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。,立方氮化硼砂轮和刀具,40,教育课资,三、博采众长的复合材料,41,教育课资,由两种以上不同的原材料组成，使原材料的性
19、能得到充分发挥，并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。,复合材料定义,42,教育课资,必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成,必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料,通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能,1,2,3,三个必要条件,43,教育课资,复合材料的特点,44,教育课资,材料A材料B+,材料C,基体 Matrix,增强相 Reinforcement,主要组份，粘结、保护增强相并把外加载荷造成的应力传递到增强相上去,其它组份，主要承载相，并起着提高强度(或韧性)的作用,复合材料的组成,45,教育课资,基体,陶瓷,聚合物,金属,增强体,颗粒,纤维,按照基
20、体分类,按照增强体分类,复合材料分类,46,教育课资,几何形状,纤维,颗粒,板状,复合材料分类,SiC 晶粒,Al2O3 纤维,Al2O3板状,47,教育课资,复合材料,金属基复合材料（如铝基、铜基、镁基和钛基等）,木基复合材料,有机材料基复合材料,无机非金属基复合材料,聚合物基复合材料,陶瓷基复合材料,混凝土基复合材料,碳基复合材料,热塑性树脂基,热固性树脂基,按基体材料分类,48,教育课资,增强材料,晶须增强材料,氧化物颗粒：Al2O3，SiO2,颗粒增强材料,纤维增强,无机纤维：碳，硼， SiC， Al2O3,有机纤维：芳纶，聚乙烯，尼龙,金属纤维：不锈钢，W，Mo,按增强体材料分类,陶
21、瓷晶须： SiC，TiC,金属晶须：Cr, Fe, Cu,非氧化物颗粒：SiC，TiC，B4C,硅酸盐颗粒：高岭土，滑石,49,教育课资,玻璃纤维,玻璃纤维生产流程图,将熔化的玻璃以极快的速度抽拉成细微的丝，即成为玻璃纤维。 细度在3.821.6m, 脆性与直径的四次方成正比。,50,教育课资,航空航天领域中，为获得高比强度和高比弹性模量，开发新型纤维-硼纤维。 硼的熔点在2000以上，硬度仅次于金刚石。,硼纤维,51,教育课资,航天飞机的机身衍架用硼铝复合材料管材制造，取得减重2066的效果。 航天飞机货仓间隔支柱，可减重44。 美国P&W公司在JT8D发动机上用硼铝复合材料取代钛合金，可减
22、重10。,硼纤维在航空航天领域的应用效益,航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架,52,教育课资,将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在90以上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。,碳纤维,53,教育课资,54,教育课资,土房-草增强泥基复合材料,钢筋混凝土建筑框架,玻璃纤维撑杆,55,教育课资,复合材料在航天领域中的应用,主货舱门- 碳纤维/环氧树脂 压力容器- 凯芙拉纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料,“哥伦比亚号” 航天飞机,发动机的喷管- 碳/碳复合材料 发动机组传力架- 钛基复合材料 机身防热瓦- 陶瓷基复合材料,56,教育课资
23、,国家技术发明一等奖（2004年）,“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”,黄伯云团队研制的飞机刹车片,“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料”,攻克航天飞机隔热瓦技术难关,57,教育课资,复合材料在航空领域的应用,法国 “空中客车” 公司生产的A380双层四引擎大型客机，最大可载客量650人,复合材料使A380减重15吨,(1) 机翼,(2) 垂直尾翼和水平尾翼,(3) 地板梁和后承压框,(4) 固定机翼前缘,(5) 机翼后缘处的襟翼,副翼,(6) 机身蒙皮壁板,58,教育课资,59,教育课资,复合材料在体育用品中的应用,60,教育课资,复合材料在羽毛球拍上的应用,61,教育课资,复合材料在网球
24、拍上的应用,轻而坚，刚性大，应变小，可降低球与球拍接触时的偏离度； 阻尼性好，可延长肠线与球的接触时间，使网球获得较大的加速度。 木制球拍的接触时间为4.33毫秒，钢制品为4.09毫秒，CFRP为4.66毫秒，相对应的球的初速度则分别为1.38千米时、149.6千米时和157.4千米时。,62,教育课资,滑雪板在雪上滑行时，雪会产生轻微溶化，因水的“粘性”增加摩擦力。采用疏水性强的复合材料制成的滑雪板，可提高滑行性能。理想的材料是超高分子聚乙烯。,复合材料在滑雪板上的应用,63,教育课资,轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度 。,Pole-vaulting,复合材料在撑杆上的应用,64,教育课资,本章结束,65,教育课资,作业,1、从自己的角度出发，总结一下什么是材料？你平时接触到哪些材料，举例说明？你认为材料应该如何分类最科学？,66,教育课资,2、制造商用大飞机、高速列车、航空母舰、深海潜水器等需要考虑哪些因素，从你自己的知识体系考虑，应该选用哪些材料？,67,教育课资,