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结构与功能陶瓷AdvancedCeramics 材料学专业硕士研究生课程 济南大学材料学院侯宪钦 前言 材料学专业硕士研究生专业基础课程以材料学本科的专业课程为基础要求1掌握脆性材料的断裂力学基础 2了解各类结构陶瓷和功能陶瓷的基础知识 为以后的科学研究工作奠定坚实的基础 NewUsesofCeramics陶瓷材料的最新用途 Rolls Royce HightemperatureturbinesImprovefuelefficiency Jetengines Turbinepoweredcars RadomesforaircraftMagnetsforparticleaccelerators HeatexchangersAntennaeHeatshields 1 无机材料的力学性能 1 1材料的形变DeformationofMaterials材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化 称之为形变 材料承受外力作用 抵抗形变的能力及其破坏的规律 称为材料的力学性能或机械性能 mechanicalproperties 1 1 1无机材料的弹性形变ElasticDeformation Elasticdeformationisnotpermanent itmeansthatwhentheloadisremoved thepartreturnstoitsoriginalshapeanddimensions Formostmetalsandmostadvancedceramics theelasticregionislinear Forsomematerials includingmetalssuchascastiron polymers andconcrete theelasticregionisnon linear 应力Stress Stress loadperunitArea单位面积的载荷 F loadappliedinN载荷牛A crosssectionalareainm 截面积m stressinPa应力帕 应变Strain Ratioofelongationofamaterialtotheoriginallength材料的伸长量与原始长度的比率 L Lo e e elongation m 伸长量Lo unloaded original lengthofamaterial m strain m m 原始长度 Elongation L loadedlengthofamaterial m 受力伸长后的长度 Hooke sLaw Ifthebehaviorislinearelastic ornearlylinear elastic Hooke sLawmaybeapplied WhereEisthemodulusofelasticity MPa Sisthestress MPa eisthestrain 应力应变图Stress StrainDiagram Thediagramgivesusthebehaviorofthematerialandmaterialproperties Eachmaterialproducesadifferentstress straindiagram Stress StrainBehavior I Stress strainbehaviorcanbebrittle A plastic B andhighlyelastic C CurveCistotallyelastic rubber likeelasticity 典型陶瓷的应力应变图 1 1 2无机材料中的塑性形变PlasticDeformation 材料在外力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性 Plasticity 材料发生塑性形变而不开裂的能力称为延展性 Ductility 利用延展性进行冷加工 锻造 冲压等 主要是金属材料 陶瓷材料由于具有很少的塑性形变而不能用于这些工序 塑性形变机理 晶体中的塑性形变有两种基本的形式 滑移与挛晶位错运动 在单晶材料中 塑性形变主要由滑移引起 挛晶的贡献很小 滑移是晶体在受到外力时 一部分相对于另一部分的平滑移动 它是在剪切应力作用下在一定的滑移系统上进行的 塑性形变的位错运动理论 实际晶体中存在位错缺陷 当受到剪切应力作用时 并不是晶体内两部分整体相对错动 而是位错在滑移面上沿滑移方向运动 使位错运动所需要的力要比使晶体两部分的整体滑动所需要的力小得多 1 2无机材料的脆性断裂与强度Thebrittlefractureandstrengthofinorganicmaterials Itisimportanttounderstandthemechanismsforfailure speciallytopreventin servicefailuresviadesign 1 2 1材料的断裂现象 ThelowtemperaturesoftheNorthAtlanticcausedthesteeltobebrittle Thesearethefirstshipsmassproducedwithwelds Fracturesoccurredmainlyinthevicinityofstressraisers Stress StrainBehaviorversusTemperature Ductilityisreducedwithtemperaturereduction Iron Failure Fracture Brittlefracture Ductilefracture moderatelyductilefracture Twosteps CrackformationCrackpropagation 断口形貌 Microstructure Microstructure BrittleFracture Transgranularfracture Crackingthroughgrains Intergranularfracture CrackingalongtheGB Microstructure 1 3TheoreticalStrengthofmaterials材料的理论强度 无机材料的抗压强度是抗拉强度的近10倍 所以抗拉强度是最值得研究的环节 无机材料的强度随材料尺寸的增大而下降 原因是什么 无机材料的强度数据的离散性特别大 对于它的安全使用构成了极大的威胁 这是急待解决的问题 TheoreticalStrengthofmaterials 实际材料种类太多 理论强度的计算十分复杂 为了简单 粗略地估算通用的理论强度 Orowan提出了用正弦曲线来近似原子间约束力与原子间距的关系曲线 即 1 3 1原子间约束力与原子间距的关系曲线 l 2 smax Orowan将上述精确曲线简化为下面的正弦曲线 得出 th为理论结合强度 为正弦曲线的波长 将材料拉断时 产生两个新的表面 因此使单位面积的原子平面分开所做的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能 这样材料才能断裂 假设分开单位面积原子平面所做的功为v 则 假设材料新形成的断裂表面能为 则v 2 即 在接近平衡位置的区域 曲线可以用直线代替 服从Hooke slaw 即 a为原子间距 x很小时 于是就有 理论强度与实际强度 式中a是晶格常数 随材料的种类的不同而不同 通常情况下 约等于 E 100 这样式 2 6 可改写成 th E 10熔融石英纤维 2 41GPa E 40碳化硅晶须 6 47GPa E 23氧化铝晶须 15 2GPa E 33尺寸较大的材料实际强度比理论强度低得更多 约为E 100 E1000 1 3 2Griffith stheory格瑞非斯微裂纹理论 BrittlesolidscontaindefectsEverydefectcanberegardedasacrackThestressatthetipofacrackwillconcentratewhenthematerialisappliedastress裂纹的形状如下 1 3 3Inglis的应力集中理论 Inglis于1913年研究了带孔洞板的应力集中问题 形成了裂纹尖端的应力集中理论 根据Inglis的应力集中理论 Forthisgeometry wecanobtain istheappliedstress cisthehalflengthofthecrack istheradiusofcurvatureofthecracktip aisthedistancebetweentwoatoms 如果a 即为扁平的锐裂纹 则a 将很大 上式中的1将被省略 从而可得 Orowan认为 很小 与原子间距a相当 可以将上式改写成下面的形式 当 tip等于材料的理论强度时 裂纹就会被拉开 即裂纹就会迅速扩展 propagation c随之变大 tip又进一步增加 如此恶性循环 导致材料迅速断裂 因此 裂纹扩展的临界条件是 因此 这时的应力 就是临界应力 c 即 c于是就有 这是Inglis考虑了 而且只考虑了 裂纹尖端的应力集中而得到的结果 实际上 裂纹尖端的应力状态是非常复杂的 Griffith借鉴上述理论结果 又从能量的角度研究了裂纹扩展的条件 Griffith的断裂强度表达式 Griffith假设物体内储存的弹性应变能的降低大于或等于由于开裂形成的两个新表面所需的表面能 由弹性理论可以算出 当人为割开长度为2c的裂纹时 平面应力状态 无限薄板 下系统应变能的降低为 平面应变状态 厚板 下系统应变能的降低为 isPoisson sratio泊松比 产生长度为2c 厚度为1的两个新表面所需的表面能为 为单位面积上的断裂表面能 裂纹进一步扩展2dc 单位面积所释放的能量为 形成新的单位表面积所需的表面能为 Griffith的断裂强度表达式 时 为临界状态 由此可推出临界应力为 Griffith的断裂强度表达式 Griffith的断裂强度表达式 如果是平面应变状态 临界应力则表示为 这就是Griffith从能量观点分析得出的结果 如果能够控制裂纹的尺寸在原子间距的数量级上 就可以使材料的临界断裂强度达到理论强度 但实际上 人类目前是很难达到的 不过 这一结果至少可以告诉人们 制备高强度材料的基本方向 材料的模量E和断裂表面能 要大 裂纹尺寸c要小 1 3 4三点弯曲测断裂强度的实验示意图 Griffith sexperimentswithglassfibers 1921 1 4材料的断裂韧性 应力场强度因子和平面应变断裂韧性Griffith微裂纹理论在上个世纪初期形成 在随后的近百年时间里得到了广泛的应用 上个世纪前半期 人们一直认为这一理论只适用于玻璃陶瓷等的脆性材料领域 1 4材料的断裂韧性 续 随着二战时期美国的近千艘全焊接 自由轮 发生了1000多次脆性断裂事故 人们用原有的金属材料理论无法解释这些灾难事故发生的原因 于是人们开始用Griffith的微裂纹理论来解释这些断裂现象并且得到了合理的结论 从此 发展起来一门新的力学分支 断裂力学 它是研究含裂纹体的强度和裂纹扩展规律的科学 于是人们又称其为裂纹力学 LibertyShips WorldWarII ThehullsofLibertyShipsfracturedwithoutwarning mainlyintheNorthAtlantic Therewere2 751LibertyShipsmanufacturedbetween1941 1945 Crackspropagatedin400oftheseshipsincluding145catastrophicfailures only2existtodaywhicharesea worthy TheAlohaBoeing737Accident OnApril28 1988 partofthefuselagefuselage机身ofaBoeing737failedafter19yearsofservice Thefailurewascausedbyfatigue multi sitedamage TheAlohaBoeing737Accident 1 4 1裂纹的扩展方式 ModesofFracturewhichOperateonCracks ModeIModeIIModeIII aTensile掰开型 ModeIismostoftenencountered bSliding错开型 cTearing撕开型 试验用不同裂纹尺寸的试件做拉伸试验 测试出断裂应力 结果发现断裂应力与裂纹尺寸之间存在如下的关系式 这是实验规律 但能够说明断裂应力受材料中微裂纹的控制 1 4 2断裂应力与裂纹长度的关系 裂纹尖端应力场分析 crack x y crack Cracktipstress x Z r yy xx xy yy 1957年Irwin应用弹性力学的应力场理论对裂纹尖端附近的应力场进行深入分析而得出了I型裂纹的如下结果 K1为与外加应力 裂纹长度c 裂纹种类和受力状态有关的系数 应力场强度因子 其下标I表示裂纹扩展类型为I型 单位为 上述三个表达式也可以用角坐标的形式表示为 式中r为半径向量 为角坐标 当 时 即为裂纹尖端处的一点 则 使裂纹扩展的主要动力是 yy 1 4 3应力场强度因子thestressintensityfactor K 及几何形状因子geometryfactor K1是反映裂纹尖端应力场强度的强度因子 Y为几何形状因子 它与裂纹类型 试件的几何形状有关 求K1的关键在于求几何形状因子Y 求不同条件下的Y就是断裂力学的内容 几何形状因子Y也可以通过实验得到 现在已经有几何形状因子数据手册可供检索 对于三点弯曲试样 当S W 4时 几何形状因子的计算式为 1 4 4临界应力场强度因子及断裂韧性 AcriticalvalueofKexists similartothevaluesc knownasfracturetoughnessgivenby 应力场强度因子thestressintensityfactorK 这就表明应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性时 材料的使用才是安全的 1 4 5裂纹扩展的动力与阻力 Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能定义为应变能释放率或裂纹扩展动力 对于有内裂纹 长2c 的薄板 有 2 16 式 此为裂纹扩展的动力 如为临界状态 则有 对于有内裂纹的薄板 将 代入上式可得 平面应力状态 平面应变状态 对于脆性材料 由此可得 平面应力状态 平面应变状态 K1c与材料本征参数E 等物理量有直接关系 也是材料的本征物理量 反映具有裂纹的材料对于外界作用的一种抵抗能力 即阻止裂纹扩展的能力 K1c是材料的固有性质 1 4 6断裂韧性的测试方法测试方法有多种 通常情况下 研究较成熟使用最多的方法是 单边直通切口梁法 3 PointBendSpecimen Singleedgenotchedbend SENB specimenwiththrough thicknesscracks 3 PointBendSpecimen试样尺寸的比例及要求c w 0 4 0 6 w s 1 4 B 0 5w三点弯曲受力时 K1c值的计算公式可沿用美国ASTME399 74中所列公式 MPa m1 2 其中Pc为临界载荷 实验机压头的加载速度按形变速率来控制 一般规定为 0 05mm min 切口梁法只适用于平均粒径为20 40 m的粗晶粒陶瓷 如果是细晶粒陶瓷 平均粒径小于2 4 m 测得的K1c数值偏大 1 5材料强度的weibull分布WeibullDistribution Astressedceramicisathreedimensionalobject HencewecanextendtheequationforthesurvivalprobabilitybyconsideringthevolumeoftheobjectPs exp RV RisdefinedastheriskofruptureItisreasonabletoexpectthistobeafunctionofstress WeibullDistribution Weibullproposedasimple threeparametermodelforf s wheremisaconstant theWeibullmodulus cisacriticalstress belowwhichfracturedoesnotoccur and oisanormalisingstress WeibullDistribution Fromtheabovewecancalculatethesurvivalprobabilityofapieceofmaterial Ifthematerialisunderconstantstress ProbabilityofFailure Probabilityoffailureandprobabilityofsurvivalmustsumto1Pf 1 Ps ThususingtheWeibulldistributioninthecaseofuniformstress WeibullProbabilityDistribution ItisjustamathematicaldescriptionofdataIthasnophysicalmeaningItcanbeusedtoexplainanysetofexperimentaldataandisnotexclusivetofailureofceramicsAlsoimportantindescribingfatiguefailuretimesinmetals Simplifiedversion Thepresenceofacriticalstressbelowwhichnofractureoccursisusuallyignoredwithsc 0 giving ReasonsThereisnophysicalevidencefortherebeingsuchacriticalstressIfwesetittozeroitmakesmanipulationoftheexpressionalittleeasier Notethatforotherapplicationsofthedistributiontheremaybeavalidreason e g thresholdstressinfatigue ConstantsintheExpression soandVoarenormalisingconstantsintroducedtomaketheexpressionwithinthebracketsdimensionless Theyarerelatedtoaveragevaluesofthedataset mistheWeibullmodulusitcharacterisesthewidthofthedistribution DETERMININGm Usingsurvivalprobabilityandtakinglogsofbothsidestakinglogsagain WEIBULLMODULUS Thusbyplottingln ln Ps againstln c willgiveagradientofmInpracticewedonotassumeanycriticalstressbelowwhichfailureisimpossibleso c 0andthex axisvariableistakenasln InterceptsarelessusefulastheycombineVoandsoFailureprobabilityofagivenstressisfoundbyrankingthefailurestressesinorderofstrengthandassigningaprobabilityofsurvivalPs n N 1 tothenthrankedspecimeninatotalsamplesizeofN Weibullplot Fractureofglassrods RankStrengthEstimatedValue MPa Probability n ofFailurePf n N 1 11780 122100 232350 342480 452620 562760 672960 783180 893450 9 REALDATA IngeneralWeibulldiagramsgiveagoodrepresentationofbehaviourevenattheimportantlowstrengthlimitTypicalWeibullmodulusofanas finishedceramicisabout10Thusadesignercanpredictfailurewithoutanintimateknowledgeoftheflawdistribution 1 5Hardness Theabilitytoresistindentation abrasion andwear formetals thisisdeterminedwiththeRockwellHardnessorBrinellteststhatmeasurendentation penetrationunderaload STRENGTHandHARDNESSarerelated Ahigh strengthmaterialistypicallyresistanttowearandabrasion Acomparisonofhardnessofsometypicalmaterials Moh sMineralHardnessScale 1 Talc滑石2 Gypsum石膏3 Calcite方解石4 Flourite萤石5 Apatite磷灰石6 Feldspar长石7 Quartz石英8 Topaz 黄玉9 Corundum刚玉10 Diamond金刚石 Softest Hardest 2氧化铝陶瓷aluminaceramics 氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种 高纯型氧化铝陶瓷系 含量在 以上的陶瓷材料 由于其烧结温度高达 透射波长为 一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚 利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管 在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料 普通型氧化铝陶瓷系按 含量不同分为 瓷 瓷 瓷 瓷等品种 有时 含量在 或 者也划为普通氧化铝陶瓷系列 其中 氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚 耐火炉管及特殊耐磨材料 如陶瓷轴承 陶瓷密封件及水阀片等 氧化铝瓷主要用作耐腐蚀 耐磨部件 瓷中由于常掺入部分滑石 提高了电性能与机械强度 可与 铌 钽等金属封接 有的用作电真空装置器件 氧化铝陶瓷aluminaceramics 2 1Uses EngineComponents Rotor Alumina Gears Alumina TurboCharger CeramicRotor MetalsVs Ceramics PropertiesAndUseOfCeramicMaterials Usesofceramics AluminumOxides Alumina Naturalaluminaisknownassapphireorruby Al2O3 sapphire ruby AluminaceramicsisonekindofadvancedCeramics AdvancedceramicmaterialshavebeendevelopedoverthepasthalfcenturyAppliedasthermalbarriercoatingstoprotectmetalstructures wearingsurfaces orasintegralcomponentsbythemselves Engineapplicationsareverycommonforthisclassofmaterialwhichincludessiliconnitride Si3N4 siliconcarbide SiC Zirconia ZrO2 andAlumina Al2O3 Heatresistanceandotherdesirablepropertieshaveleadtothedevelopmentofmethodstotoughenthematerialbyreinforcementwithfibersandwhiskersopeningupmoreapplicationsforceramics Alumina smanyuses UsedinbearingsUsedasanabrasiveforcuttingtoolsUsedinsubstrates andintapecastingBio MedicalandDentalceramics AluminaisEverywhere 2 2RawmaterialsofAl2O3ceramics Alumina Al2O3 alsoknownasCorundum hasmanyusesthatareimportanttoceramics Foundinigneousrocks Isresponsibleforthebeautifulgemstonesknownassapphires andrubies TheSixCommonCompoundscontainingAlumina Spinel Al2O3 MgO 尖晶石 Kyanite Al2SiO5 蓝晶石 Andalusite Al2SiO5 红柱石 Sillimanite Al2SiO5 硅线石 m Mullite 3Al2O3 2SiO2 多铝红柱石 莫来石 Corderite 2Al2O3 2MgO 5SiO2 Thisisthealuminastructure Asyoucanseeitishexagonalclosepacked 2 3Processesofaluminaceramics 其制作工艺如下 一粉体制备 将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料 粉体粒度在 微米以下 若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在 外 还需超细粉碎且使其粒径分布均匀 采用挤压成型或注射成型时 粉料中需引入粘结剂与可塑剂 一般为重量比在 的热塑性塑胶或树脂有机粘结剂应与氧化铝粉体在 温度下均匀混合 以利于成型操作 采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂 2 3Processesofaluminaceramics continued 若采用半自动或全自动干压成型 对粉体有特别的工艺要求 需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理 使其呈现圆球状 以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁 此外 为减少粉料与模壁的摩擦 还需添加 的润滑剂如硬脂酸及粘结剂 欲干压成型时需对粉体喷雾造粒 其中引入聚乙烯醇作为粘结剂 近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作 喷雾造粒的粘结剂 在加热情况下有很好的流动性 喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好 密度松散 流动角摩擦温度小于 颗粒级配比理想等条件 以获得较大素坯密度 2 3Processesofaluminaceramics continued 二成型方法 氧化铝陶瓷制品成型方法有干压 注浆 挤压 冷等静压 注射 流延 热压与热等静压成型等多种方法 近几年来国内外又开发出压滤成型 直接凝固注模成型 凝胶注成型 离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法 不同的产品形状 尺寸 复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法 其常用成型方法简介如下 2 3Processesofaluminaceramics continued 干压成型 氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状简单且内壁厚度超过 长度与直径之比不大于 的物件 成型方法有单轴向或双向 压机有液压式 机械式两种 可呈半自动或全自动成型方式 压机最大压力为 MPa 产量每分钟可达 件 由于液压式压机冲程压力均匀 故在粉料充填有差异时压制件高度不同 而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变化 易导致烧结后尺寸收缩产生差异 影响产品质量 因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要 充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精度控制影响很大 粉体团聚体颗粒以大于 介于 目之间可获最大自由流动效果 取得最好压力成型效果 2 3Processesofaluminaceramics continued 注浆成型法 注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法 由于采用石膏模 成本低且易于成型大尺寸 外形复杂的部件 注浆成型的关键是氧化铝浆料的制备 通常以水为熔剂介质 再加入解胶剂与粘结剂 充分研磨之后排气 然后倒注入石膏模内 由于石膏模毛细管对水分的吸附 浆料遂固化在模内 空心注浆时 在模壁吸附浆料达要求厚度时 还需将多余浆料倒出 为减少坯体收缩量 应尽量使用高浓度浆料 氧化铝陶瓷浆料中还需加入有机添加剂以使料浆颗粒表面形成双电层使料浆稳定悬浮不沉淀 此外还需加入乙烯醇 甲基纤维素 海藻酸胺等粘结剂及聚丙烯胺 阿拉伯树胶等分散剂 目的均在于使浆料适宜注浆成型操作 2 3Processesofaluminaceramics continued 三烧成技术 将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫烧结 烧结就是将坯体内颗粒间空洞排除 将少量气体及有机物杂质排除 使颗粒之间相互生长结合 形成新的物质的方法 烧成使用的设备是电炉 除了常压烧结即无压烧结外 还有热压烧结及热等静压烧结等 连续热压烧结虽然提高产量 但设备和模具费用太高 此外由于轴向受热 制品长度受到限制 热等静压烧成采用高温高压气体作压力传递介质 具有各向均匀受热之优点 很适合形状复杂制品的烧结 由于结构均匀 材料性能比冷压烧结提高 比一般热压烧结提高 因此 目前一些高附加值氧化铝陶瓷产品或国防军工需用的特殊零部件 如陶瓷轴承 反射镜 核燃料及枪管等制品 场采用热等静压烧成方法 此外 微波烧结法 电弧等离子烧结法 自蔓延烧结技术亦正在开发研究中 2 3Processesofaluminaceramics continued 四精加工与封装工序 有些氧化铝陶瓷材料在完成烧结后 尚需进行精加工 如可用作人工骨的制品要求表面有很高的光洁度 如镜面一样 以增加润滑性 由于氧化铝陶瓷材料硬度较高 需用更硬的研磨抛光砖材料对其作精加工 如 或金刚钻等 通常采用由粗到细磨料逐级磨削 最终表面抛光 一般可采用 微米的 微粉或金刚钻膏进行研磨抛光 此外激光加工及超声波加工研磨及抛光的方法亦可采用 有些氧化铝陶瓷零件需与其它材料作封装处理 2 3 1SlipCasting 2 3 2PowderPressingProcess FillingMould Compaction Greenpartejected thensintered 2 3 3WhatisGelcasting DevelopedattheOakRidgeNationalLaboratoryColloidalceramicformingprocessIn situpolymerizationofamonomersolutionPolymerholdstogetherthe green ceramicpartDevelopedwithAlumina canbeusedwithallengineeringceramics WhyGelcasting FormcomplexshapeceramicsforapplicationssuchashightemperatureturbinesIncreasequalityofmanufacturingLowermanufacturingcosts OakRidgeNationalLaboratory GelcastingSystem AqueoussystemUsedHydroxymethylacrylamideasmonomerRelativelylowtoxicityDarvanCdispersantAZIP Azobisdihydrochloride activatorAlumina Al2O3 Chosenbecauseoflowsinteringtemperature 2 3 4Hot pressedslipcasting flowchart主要用于形状复杂精细而小巧的产品 原料粉 石蜡 油酸 加热搅拌 快搅拌 慢搅拌 热压注成型 排蜡 高温烧成 2 4Thepropertiesofaluminaceramics 主要性能指标 体积密度 3 65 g cm3 抗折强度 280 MPa 线膨胀系数 10 6mm 20 500 6 5 7 20 800 6 5 8 介电常1MH220 9 1010GH220 9 10击穿强度 Kv mm 15 2 4Thepropertiesofaluminaceramics continued 化学稳定性 mg cm2 1 9Hcl 710 NaOH 0 2介质损耗角正切值 10 4 1MH220 410GH220 10体积电阻率 cm 25 8 1014 2 5Microstructuresofalumina SaffilAl2O3Fibre Aluminaplatelets Aluminacontinuousfiber 99 Al2O3Su 3000MPaE 400Gpar 3 95g cm3 Ceramic CompositeArmor CeramicArmor Ceramicarmorsystemsareusedtoprotectmilitarypersonnelandequipment Advantage lowdensityofthematerialcanleadtoweightefficientarmorsystems Typicalceramicmaterialsusedinarmorsystemsincludealumina boroncarbide siliconcarbide andtitaniumdiboride Theceramicmaterialisdiscontinuousandissandwichedbetweenamoreductileouterandinnerskin Theouterskinmustbehardenoughtoshattertheprojectile CeramicArmor Mostoftheimpactenergyisabsorbedbythefracturingoftheceramicandanyremainingkineticenergyisabsorbedbytheinnerskin thatalsoservestocontainthefragmentsoftheceramicandtheprojectilepreventingsevereimpactwiththepersonnel equipmentbeingprotected CFusesaluminaceramic Kevlarcompositesysteminsheetsabout20mmthickandhavingabulkdensityofabout2 5g cm3toprotectkeyareasofHerculesaircraft cockpitcrew instrumentsandloadmasterstation Thislightweightsolutionprovidedanefficientandremovable replaceablearmorsystem SimilarsystemsusedonAPC s 3ZirconiaZrO2ceramics 3 1Introductiontozirconiazirconium namedfromtheArabic zargun goldcolorFabrication ObtainedfromthemineralzirconAdditionofMgO CaO CeO orY2O3stabilizetetragonalcrystalstructure e g 97mol ZrO2and3mol Y2O3 Usuallyhot pressedorhotisostaticallypressed Zirconia ZirconiaofferschemicalandcorrosionresistancetotemperatureswellabovethemeltingpointofAlumina Initspureformcrystalstructurechangeslimitmechanicalapplications howeverstabilisedZirconiasproducedbyadditionofCalcium MagnesiumorYtriumOxidescanproduceveryhighstrength hardnessandparticularlytoughness Inadditionthematerialhaslowthermalconductivityandisanionicconductorabove600 C Thishasleadtoapplicationsinoxygensensorsandhightemperaturefuelcells Typicalcharacteristics Hightemperaturecapabiltyupto2400 CHighdensityHighstrengthandfracturetoughnessHighhardnessandwearresistanceLowthermalconductivity 20 thatofAlumina GoodchemicalresistanceIonicconductivity Typicalapplications Precisionballvalve ballsandseats HighdensitygrindingmediaThreadguides导丝器CuttingbladesMedicalprosthesesPumpseals valvesandimpellorsOxygensensorsFuelcellmembranesRadiofrequencyheatingsusceptorsMetrologycomponents Applications structuralmaterials oxygensensorsand orthopaedics 整形外科 femoral 股骨头head artificialknee bonescrewsandplates favoredoverUHMWPEduetosuperiorwearresistancedental crownsandbridgesmadeupabout25 ofthetotalnumberofoperationsperyearinEurope8 ofthehipimplantproceduresinUSA over400 000zirconiahipjointfemoralheadshavebeenimplantedsince1985until2001 Comparedtoalumina partiallystabilisedzirconia PSZ higherflexuralstrengthfracturetoughnessbetterreliabilitylowerYoung smodulusabilitytobepolishedtoasuperiorsurfacefinishlowerhardness 下图为三种晶型的单位晶胞结构 ZrO2三种晶胞参数 晶型温度0Cabc 单斜300 5140 5210 53199o18 四方13930 5120 525立方24000 509 ZrO2结构特征 纯ZrO2在不同温度下具有单斜 m 四方 t 立方 c 三种不同晶型 晶型转化式为 单斜相 四方相 立方相 液相 3 2Stabilizedzirconia FSZfullystabilizedzirconiaPSZpartiallystabilizedzirconiaTZPtetragonalzirconiapolycrystallinestabilizerCaOMgOY2O3CeO2 Toproducecoloredcubiczirconia thefollowingoxidescanbeaddedtoachievethefollowingcolors OxideColorsProducedCeriumoxidered orange yellowCopperoxideyellow amber brownIronoxideyellow amber brownNickeloxideyellow amber brownPraseodymiumoxideyellow amber brownTitaniumoxideyellow amber brownErbiumoxidepinkEuropiumoxidepinkHolmiumoxidepinkChromiumoxidegreenManganeseoxidegreenVanadiumoxidegreenCobaltoxidelilac violetManganeseoxidelilac violetNeodymiumoxidelilac violetExcessyttriumoxideblue green CubicZirconia history CubicZirconiawasdiscoveredinitsnaturalstatein1937bytwoGermanmineralogists vonStackelbergandChudoba ItwasinahighlymetamictzircongiventothembyB W Anderson Thezirconcontainedtinycrystalsthatweredeterminedtobethecubicformofzirconiumoxidebyx raydiffraction Thetwomineralogiststhoughtsolittleoftheirdiscoverythattheydidnotevengiveitaname whichiswhyitisstillknownbyitsscientificname cubiczirconia Itwasn tuntilthe1970 s however thatSovietscientistslearnedhowtogrowthecrystalsinthelaboratory In1977 itwasfirstmarketedun