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1、陶瓷材料,Ceramic Material,1,特制内容,1 陶瓷的基本相 2 陶瓷的基本性能 3 陶瓷力学性能的检测方法 4 常见陶瓷 5 产品分析,目录,2,特制内容,1 陶瓷的基本相,1.1 晶相 1.2 玻璃相 1.3 气孔,3,特制内容,气孔,晶相,玻璃相,陶瓷基本相,4,特制内容,1.1 晶相 主要组成相，一般由离子键（MgO和Al2O3）或共价键（SiC、Si3N4）结合而成，其种类、数量、晶粒大小等对陶瓷的性能起决定性作用。,5,特制内容,晶相种类及含量对陶瓷抗折强度的影响,a.晶相种类及含量对陶瓷强度的影响：,6,特制内容,b.晶粒大小对陶瓷强度的影响：,强度与晶粒尺寸的关系
2、符合Hall-Petch关系式： b o kd-1/2 式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害。,7,特制内容,刚玉陶瓷的晶粒尺寸与抗折强度,如刚玉陶瓷的晶粒尺寸大小对其抗折强度的影响。,8,特制内容,1.2 玻璃相 非晶态固体，陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应后，形成液相，冷却凝固而成。,缺点：熔点低，热稳定性差，在较低温度下开始软化.,9,特制内容,1.3 气相：,气孔的影响： i：有害的影响：降低强度。 ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。,10,特制内容,高强度陶
3、瓷的组织要求：,不同截面大小陶瓷的强度值：MPa,均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度越高。,11,特制内容,2 陶瓷的基本性能,2.1 力学性能 2.2 物理及化学性能,12,特制内容,2.1 力学性能:,：硬度 是各类材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在1500HV以上。 （淬火钢：500-800HV）, 陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。 ：刚度 是各类材料中最高的。 ：强度 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。 ：塑性，在室温几乎没有塑性。 ：韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。,13,特制内容,2.2 物理及化学性
4、能：,.熔点：具有高的熔点，多数在2000以上。 .热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6，结构 紧密，膨胀系数小。 .抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力； 陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。 .高的化学稳定性：抗氧化，1000高温下不氧化；对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。,14,特制内容,3 陶瓷力学性能的检测方法,3.1 硬度 3.2 弯曲强度 3.3 断裂韧性,15,特制内容,3.1 硬度 硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采用的是维氏硬度与莫氏硬度。,典型结构陶瓷材料维氏硬度,16,特制内容,维氏硬度的测量 将一个相对夹角为136的正四棱锥金刚石压头在一定的
5、负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测定压痕两对角线的长度并取其平均值（d）计算压痕的实际面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV表示。经几何换算后得到：,HV-维氏硬度符号； P-试验力，N； d-压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm,17,特制内容,莫氏硬度：是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。,18,特制内容,3.2 弯曲强度,弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种,式中为抗弯强度(MPa)， P为加载载荷(N)，L为支点跨距（mm)， b为试样断口处宽度(mm)， h为试样断口处高度(mm)。,三
6、点弯曲强度测试示意图,19,特制内容,应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，常用的方法有单边切口梁法、压痕法、双扭法和双悬臂梁法。本节只简要介绍压痕法测定方法。,3.3 断裂韧性,20,特制内容,用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求得KIc值。,压痕法,PPC（左）和PPC（右）时压痕 （以PC作为可是压痕产生裂纹的临界负荷）,21,特制内容,压痕法,KIC是断裂韧性 为一常数，约等于3 HV是维氏硬度 a为压痕对角线长度的一半 c为表面裂纹长度的一半,2
7、2,特制内容,4 常见陶瓷,4.1 普通陶瓷 4.2 特种陶瓷 4.2.1 氧化物陶瓷 4.2.2 氮化物陶瓷 4.2.3 碳化物陶瓷,23,特制内容,4.1 普通陶瓷,建筑陶瓷,24,特制内容,特种陶瓷，又称精细陶瓷，采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷。,4.2 特种陶瓷,25,特制内容,4.2.1 氧化物陶瓷： 1）氧化铝陶瓷 以- Al2O3为主晶相，根据Al2O3含量和添加剂的不同，有不同系列。如根据Al2O3含量不同可分为75瓷，85瓷，
8、95瓷，99瓷等;根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉-莫来瓷和刚玉瓷;根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。,26,特制内容,性能：Al2O3含量越高，性能越好，,氧化铝陶瓷的性能,27,特制内容,应用,化学稳定性：A12O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用;热的硫酸能溶解A12O3，热的HCl, HF对其也有一定腐蚀作用。可作为耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套，输送酸的管道内衬和阀门,28,特制内容,高硬度和耐磨性：在机械领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨零件、刀具。各种发动机中还大量使用A12O3陶瓷火花塞。 电绝缘性能和较低的介质
9、损耗：氧化铝的含量高于95%的Al2O3陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点，因而在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。,29,特制内容,2）氧化锆陶瓷 ZrO2有立方结构(c相)、四方结构(t相)及单斜结构(m相)。根据所含相的成分不同，ZrO2陶瓷可分为稳定ZrO2陶瓷材料、部分稳定ZrO2陶瓷。,30,特制内容,稳定ZrO2陶瓷：主要由立方相组成,耐火度高、比热与导热系数小：是理想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层。 化学稳定性好：高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀，但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第V , VI ,VII族金属元素与其不发生反应，可以用来
10、作为熔炼这此金属的坩埚。,31,特制内容,强度，断裂韧性和抗热冲击性能非常高：被称为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小，隔热效果好，而热膨胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在日前所研制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。,部分稳定ZrO2陶瓷：由四方和立方双相组织组成,32,特制内容,足够高的强度和耐磨性，又与光纤材料相似的线膨胀系数（5*10-6/），当环境温度发生变化时候，氧化锆陶瓷的收缩和膨胀和光纤基本相同，以保证光纤端面的紧密接触，防止光信号的损失。,33,特制内容,3）氧化铍陶瓷 氧化铍陶瓷最大的特点是高导热率、高熔点（2530)、高强度、高绝缘性、高化学和热稳定性、高抗
11、热冲击性，经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。,以BeO陶瓷为基板的10cm*5cm高密度电路,34,特制内容,35,特制内容,按制造工艺分：热压烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷； 反应烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷。 热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷有20%30%气孔.,4.2.2 氮化物陶瓷,1）氮化硅陶瓷,36,特制内容,热压烧结和反应烧结氮化硅性能对比,37,特制内容,特点： （1）硬度高：氮化硅的硬度高，HV=18GPa21GPa，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种超硬材料。 （2）摩擦因子小：只有0.10.2，具有自润滑性； （3）化学稳定性
12、好：抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀； （4）较高的室温抗弯强度和断裂韧性:室温抗弯强度通常在800-1050MPa，断裂韧性为6-7MPam1/2,38,特制内容,Si3N4轴承,应用：热压烧结氮化硅用于形状 简单、精度要求不高的零件，如 切削刀具、高温轴承等。,反应烧结氮化硅用 于形状复杂、尺寸 精度要求高的零件， 如机械密封环等。,39,特制内容,2） 氮化铝AlN陶瓷,密度3.26g/cm3，无熔点，在2200- 2250升华分解，热硬度很高，即使在分解温度前也不软化变形。莫氏硬度79，强度200300MPa。最大的特点是导热率高，可达200W/m
13、.K以上，是 A12O3的2-3倍，热压时强度比Al2O3还高，与单晶硅相匹配的热膨胀系数，以及高电阻率，是理想的基片材料。,问题：难烧结， 成本高(气氛保护等等),40,特制内容,包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、 碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。 特点 具有很高的熔点（3000以上） 高硬度（硬度B4C的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼） 耐高温氧化能力差，脆性极大,4.2.3 碳化物陶瓷,41,特制内容,碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为3.2103kgm-3，弯曲强度和抗压强度分别为200250MPa和10001500MPa，硬度为莫氏9.2。 特点：热导率高，而热膨胀系数小。 应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。,42,特制内容,碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。,43,特制内容,谢谢,44,特制内容,