先进陶瓷材料.ppt

先进陶瓷材料 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料的通称 工业上应用的典型传统陶瓷产品有陶瓷器 玻璃 水泥和耐火材料等 随着现代科技的发展 涌现出许多性能优良的新型陶瓷 新型陶瓷又称精细陶瓷 是40年代以来逐渐发展起来的新型无机材料 近年来由于科学技术的进步和新技术的出现 新型陶瓷材料有了飞速的发展 国外发展现状状国际上从20世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料 结构陶瓷略早于功能陶瓷 60 70年代伴随着陶瓷学研究的新进展 一大批具有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成 80年代以陶瓷发动机为背景 各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投入 陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下 包括陶瓷发动机部件在内 使用的耍求 但材料的稳定性 可靠性和高成本等问题仍阻碍了先进陶瓷材料的应用 90年代中后期 对陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性 结构与功能性能一体化 低成本制备工艺等方面 各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入 在国际学术界 无机非金属材料的重耍性日益突出 很多国际上著名的原金属类杂志易名为材料类杂志 大量刊登先进陶瓷方面的研究论文 从材料产业上讲 目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市汤销售总额每年达数百亿美元 年增长率达 结构陶瓷占销售额的30 左右 一 陶瓷材料的工艺特点陶瓷是脆性材料 所以大部分陶瓷是通过粉体成型 烧结而得到所需要的形状 即烧结体 烧结体也是晶粒的聚集体 有晶粒和晶界 存在的问题是有一定的气孔率 粉末烧结法制备陶瓷材料 其制备原理为 粉末原料经过成型后 在高温非液相 主晶相为固态 温度下长时间保温 通过原子扩散而粘结 从而形成具有一定密度和强度的制品 成型方法 模压成型 粉料装入模具内 采用单向或双向加压来压实成粉胚 单向加压底部的密度最小 双向加压可以使密度更均匀些 但工件的中部密度仍然较低 成型方法 等静压成型 装入密闭容器 包套 内的粉料在压力缸中承受流态介质的高压 整个包套基本上受到均等的压力 加压过程中不加热 称为冷等静压 加压过程中同时加热使工件烧结则称之为热等静压 通常用高纯氩气作为加压介质 经热等静压的工件密度可达到98 以上 烧结 烧结 是指将陶瓷坯体加热到高温 使其发生一系列物理化学反应 然后冷却至室温 使坯体具有足够的密度 强度和物理化学性能的过程 决定粉体能否致密化 制品能否烧成的关键是温度和保温时间的选择 温度过高 保温时间过长 导致坯体变形或晶粒粗大 温度过低 保温时间太短 制品密度和强度不足 二 陶瓷材料的分类1 按使用的原材料分分为传统陶瓷材料和新型陶瓷材料 传统陶瓷材料主要用天 然的岩石 矿石 黏土等含有较多杂质 或杂质不定 的材料作原料 新型陶瓷材料采用化学方法人工合成高纯度或纯度可控的材料作原料 碳化硅陶瓷密封件 2 按性能和应用分分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类 在工程结构上使用的陶瓷称工程陶瓷 因其主要在高温下使用 又称高温结构陶瓷 工程结构陶瓷有许多种 但目前研究最多 并认为最有发展前途的是氮化硅 碳化硅和增韧氧化物三类材料 利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材料称功能陶瓷 由于它们具有的物理性能差异往往很大 所以用途很广泛 与传统陶瓷材料相比 新型陶瓷材料除原料来源不同外 还具有以下特点 1 材料的组成新型陶瓷材料的组成已超出传统陶瓷材料的以硅酸盐为主的范围 除氧化物 复合氧化物和含氧酸盐外 还有碳化物 氮化物 硼化物 硫化物及其他盐类和单质 新型陶瓷材料的特点 2 用途上由原来主要利用材料所固有的静态物理性状发展到利用各种物理效应和微观现象的功能性 并能在各种极端条件下使用 3 制备工艺和制品形态在制备工艺和方法上有了重大革新与改革 制品形态也有很大变化 由过去以块状和粉状 为主向着单晶化 薄膜化 纤维化和复合化方向发展 三 新型结构陶瓷材料 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分 含有少量SiO2的陶瓷 又称高铝陶瓷 根据Al2O3含量不同分为75瓷 含75 Al2O3 又称刚玉 莫来石瓷 95瓷和99瓷 后两者又称刚玉瓷 氧化铝陶瓷耐高温性能好 可使用到1950 具有良好的电绝缘性能及耐磨 性 微晶刚玉的硬度极高 仅次于金刚石 氮化硅 Si3N4 陶瓷1 氮化硅的结构氮化硅是由SiN4四面体组成的共价键固体 它有 和 两种结构 都是六方晶格 两者不同之处是原子层的垛堆顺序不同 但它们不是同素异构体 两者可在一个很宽的温度区间内同时合成 增韧氧化物陶瓷为了提高陶瓷材料的韧性 进行了大量研究 近十几年在增韧氧化物陶瓷方面有了突破性进展 增韧氧化物是一类高温结构陶瓷 这类陶瓷中含有一定数量弥散分布的亚稳状态物质 当受到外力作用时 这些物质发生相变而吸收能量 使裂纹尖端的应力场松弛 增加裂纹扩展阻力 从而大幅度提高韧性 目前常用的相变物质是四方相的氧化锆 ZrO2 原则上讲 许多氧化物甚至非氧化物陶瓷都可用氧化锆来增韧 但实验结果表明 只有两个系统效果最好 即氧化锆增韧氧化铝和氧化锆增韧氧化锆 后者又称部分稳定氧化锆 PSZ 部分稳定氧化锆的导热率低 比Si3N4低4 5 绝热性好 热膨胀系数大 接近于发动机中使用的金属 因而与金属部件连接比较容易 抗弯强度与断裂韧性高 除在常温下使用外 已成为绝热柴油机的主要侯选材料 ZrO2韧化Al2O3的组织 白色为ZrO2 四 新型功能陶瓷材料 新型功能陶瓷材料具有特殊的物理化学性能 种类繁多 这里只能介绍几种 1 电子陶瓷材料 作为电子材料应用的陶瓷称电子陶瓷 主要分装置瓷 介电陶瓷 敏感性陶瓷几大类 装置瓷主要用作绝缘子 电子器件支架等 这里不作介绍 导电陶瓷一般氧化物陶瓷是不导电的 但如果把某些氧化物加热 或者用其它的方法激发 使外层电子获得足够的能量 足以克服原子核对它的吸引力而成为自由电子 这种氧化物陶瓷就成为电子导体或半导体 介电陶瓷介电陶瓷主要用于制造电容器 要求具有电阻率高 介电常数大 介质损耗小等特点 金红石 TiO2 钛酸钙瓷 CaTiO3 钛酸镁瓷 2MgO TiO2 钛锶铋瓷 Bi2O3 nTiO2溶于SrTiO3的固溶体 用于高频电容器 钛酸钡 BaTiO3 用于铁电电容器 半导体电容器等 压电陶瓷当晶体受到外力作用产生变形时 其两端面出现正负电荷 显示极化现象 反之 在晶体上施加电场引起极化时 晶体产生变形 这种现象称作压电效应 具有压电效应的陶瓷即压电陶瓷 利用压电效应可把机械能转变为电能 或把电能转变为机械能 压电效应 热敏陶瓷热敏陶瓷是制造热敏电阻的材料 热敏电阻是一种电阻随温度变化的元件 阻值随温度升高而增加的称正温度系数热敏电阻 PTC 反之 则称为负温度系数热敏电阻 NTC 光电陶瓷半导体陶瓷受光照射后使导电率增加的现象称光电导效应 利用光电导效应检测光强度的元件叫光电导探测器或光敏电阻 常用光电陶瓷有CdS