结构陶瓷ppt课件

特种陶瓷,第5章结构陶瓷,1,内容,本讲主要内容,2特种陶瓷的力学性能,1概述,3氧化物陶瓷,4非氧化物陶瓷,2,特种陶瓷,功能陶瓷,结构陶瓷,非氧化物陶瓷,磁性陶瓷,氧化物陶瓷,电介质陶瓷,压电陶瓷,敏感陶瓷,超导陶瓷,生物陶瓷,1概述,3,常见结构陶瓷分类,1概述,4,结构陶瓷：主要是利用到陶瓷的力学性能。,力学性能主要包括：,强度,塑性,韧性,蠕变,弹性,硬度,1概述,5,陶瓷材料的变形特性,1-纯金属2-陶瓷3-高弹性材料,应力,受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。,应变,一微小材料元素承受应力时所产生的单位长度变形量。,1概述,6,陶瓷形变的特点,1）在极微小的应变下立即出现脆性断裂，伸长率和收缩率都几乎为零。2）压缩时的弹性模量大大高于拉伸时的弹性模量。,键合很强的离子键和共价键，有明显的方向性，因此滑移系很少。,弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。,1概述,7,强度,抗压强度,材料在单向受压力作用破坏时，单向面积上所承受的荷载。,材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。,抗拉强度,抗弯（折）强度,指材料抵抗弯曲不断裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的强度。,2力学性能,8,陶瓷的脆性断裂,实际材料的强度只有理论强度的1/101/100。,材料内部存在原始裂纹，当材料受力时，在裂纹尖端处产生应力集中，如果尖端处的应力超过材料的理论强度时，裂纹就迅速扩展，最后使材料断裂。,格里菲斯Griffith脆性断裂理论,2力学性能,9,断裂韧性（KIC）,指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量,张开型（I）滑开型（II）撕开型（III）,2力学性能,10,E：弹性模量g：断裂能,根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以借助于对裂纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。,2力学性能,从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。,11,陶瓷增韧机理,2力学性能,12,硬度,固体材料对外界物体压陷、刻划等作用的局部抵抗能力，是衡量材料软硬程度的一个指标。,划痕硬度压入硬度回跳硬度,2力学性能,13,维氏硬度（HV）,以49.03980.7N的负荷,将相对面夹角为136的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。,HV10：P为载荷，如10kg。d为压痕对角线长度(mm)。,2力学性能,14,氧化物陶瓷,高熔点氧化物陶瓷：熔点超过SiO2熔点(1728oC)。,3氧化物陶瓷,15,3.1氧化铝陶瓷,主要内容：（1）概述（2）粉末的制备（3）陶瓷的制备（4）性能与应用,3氧化物陶瓷,16,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.1概述,Tm=2050oC莫氏硬度：9体积密度：3.96g/cm3抗弯强度：300-800MPa弹性模量：300GPa比体积电阻：1014,17,Al2O3晶型转变,-Al2O3-Al2O3K2ONa2OCaOBaO-Al2O3(Na2O11Al2O3，CaO6Al2O3),1600oC,12001300oC,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.1概述,18,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.2粉体制备,19,制备工艺,原料煅烧,磨料,配料混料,塑化,成型,干燥,修坯,烧结,表面处理,性能检测,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.3陶瓷制备,20,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.3陶瓷制备,影响因素,21,（1）氧化铝含量,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.3陶瓷制备,22,（2）粉体粒度和添加剂含量,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.3陶瓷制备,23,（3）成型方式与性能,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.3陶瓷制备,24,（4）烧结气氛与性能,硬度（HR15N）,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.3陶瓷制备,25,1）高强度高稳定性：装饰瓷、喷嘴、火箭导弹的引流罩,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.4用途,26,2）高硬度、高耐磨性：切削工具、模具、磨料、轴承、人造宝石,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.4用途,27,3）熔点高，抗腐蚀：耐火材料、坩埚、炉管、热电偶保护套等,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.4用途,28,4）透明氧化铝：钠灯管、全瓷牙等,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.4用途,29,5）电绝缘性：电介质陶瓷,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.4用途,30,6）导电陶瓷（b-氧化铝）,3氧化物陶瓷,3.1氧化铝陶瓷3.1.4用途,31,主要内容,1）氧化锆陶瓷的概况2）氧化锆的相变3）氧化锆陶瓷的制备4）氧化锆陶瓷的性能及其应用,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷,32,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.1概况,金刚石（钻石）,立方氧化锆（苏联钻）,莫氏硬度：10色散：0.044,莫氏硬度：8.5-9色散：0.060,33,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.1概况,发展历程,1892年首次发现氧化锆,1920年耐火材料,1968年非线性电阻（松下）,1973年电解质氧传感器（美国）,1975年部分稳定氧化锆磨球（澳洲）,1982年柴油机缸套（美、日）,1990年代氧化锆阀芯、光纤连接器,1990年代末陶瓷刀具,2000年后氧化锆全陶瓷牙,34,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.1概况,2013年世界总销售额突破3000亿美元,35,来源：含锆的矿石锆英石（ZrSiO4），斜锆石（ZrO2）颜色：白色（高纯），黄色或者灰色（含杂质，通常为HfO2）密度：5.656.27g/cm3熔点：2715oC,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.1概况,36,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.2相变,1100-1200oC,1000-900oC,2370oC,单斜m-ZrO2a=0.51881b=0.52142c=0.53835,四方t-ZrO2a=0.51485c=0.52672,立方c-ZrO2a=0.50800,马氏体相变,37,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.2相变,(1)相变过程有3-4%的体积变化。并且有切向的形变发生。,38,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.2相变,(2)相变以音速发生，没有原子级别的扩散，通过原子的协调运动进行。,晶型稳定化处理!,纯氧化锆无法烧结致密,39,ZrO2的稳定化,通常添加的稳定剂为CaO、MgO、Y2O3、CeO2或其他稀土氧化物。这些氧化物的阳离子半径与Zr4+很相近（8%时，全部c相保持到室温，得到FSZ材料。当加入量中等时（如5%），则可能得到PSZ材料。,FSZ,PSZ,8,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.2相变,42,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.2相变,相变增韧,（1）tm相变过程中，有4%体积膨胀，从而吸收断裂能，降低尖端处的张应力。（裂纹尖端诱发相变）,（2）相变引起的体积膨胀，在裂纹周围形成压应力区域，抵抗裂纹的扩张。,43,(3)当主裂纹扩展时遇到这些微裂纹，主裂纹发生偏转、分叉，吸收了断裂能，使材料在更高的荷载下才能断裂，称为微裂纹增韧机制,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.2相变,相变增韧,44,（1）PSZ的物理性能,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.3性能,45,（2）TZP的物理性能,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.3性能,46,（3）ZrO2增韧Al2O3（ZirconiaToughenedAlumina,ZTA),也称为弥散型ZrO2陶瓷。含约未经稳定的ZrO2和Al2O3的复合陶瓷。,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.3性能,47,（1）粉体制备,a.锆英石加碳氯化法,ZrSiO4+4C+4Cl2ZrCl4+SiCl4+4CO,(300oC),(57.6oC),+H2O,150-180oC凝固分离,ZrOCl2，氯氧化锆,冷却结晶焙烧,ZrO2+Cl2,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.4制备,48,b.高温碱解法,锆矿+苛性钠/纯碱Na2ZrO3,熔解,盐酸,ZrOCl2,+氨水/NaOH,Zr(OH)4,热解,ZrO2,3氧化物陶瓷,3.2氧化锆陶瓷3.2.4制备,49,c.共沉淀法,Y2O3,+HCl,YCl3,ZrOCl28H2O,氨水,Zr(OH)4+Y(OH)3,ZrO2(Y2O3),热分解,3氧化物陶瓷,