《陶瓷材料》课件.ppt

第十章陶瓷材料 陶瓷材料的基本知识陶瓷材料的结构与组织陶瓷材料性能工程陶瓷材料 引言 陶瓷是一种天然或人工合成的粉状化合物 经过成型或高温烧结而成的 由金属元素和非金属元素的无机化合物构成的多相固体材料 由于具有高硬度 高耐磨性 耐蚀性和绝缘性能及特殊的电性能而得到广泛的应用 陶瓷材料 金属材料和高分子材料统称为三大固体材料 利用天然硅酸盐矿物为原料制成的陶瓷为普通陶瓷 用人工合成的高纯度原料 如氧化物 氮化物 碳化物 硅化物 硼化物等 具有各种独特的力学 物理或化学性能的陶瓷称为特种陶瓷 也称为现代陶瓷或新型陶瓷 陶瓷材料的基本知识 按习惯 陶瓷可以按性能或种类进行分类 一般可分为工程陶瓷或功能陶瓷两大类 陶瓷的种类很多 但缺乏统一的分类方法 按化学成份可分为 氧化物陶瓷 氧化铝瓷 氧化锆瓷和氧化镁瓷等 氮化物陶瓷 氮化硅瓷 氮化铝瓷 氮化硼瓷等 碳化物陶瓷 碳化硅瓷 碳化硼瓷等 以及金属陶瓷等 陶瓷材料的结合键 陶瓷材料中 离子键与共价键是主要的结合键 但通常为二者的混合键 不同的化合物中离子键和共价键的比例不同 陶瓷材料的结构与组织 陶瓷材料的典型结构 离子晶体陶瓷结构 MgO NiO FeO等具有NaCl型结构 ZrO2 VO2 ThO2等具有CaF2型结构 Al2O3 Cr2O3等属于刚玉结构 共价晶体陶瓷一般属于金刚石结构或其派生结构 陶瓷材料的典型结构 共价晶体陶瓷结构 非晶型陶瓷结构 陶瓷材料的典型结构 陶瓷的显微结构 晶体相 晶体相是一些化合物或以化合物为基的固溶体 是陶瓷材料的主要组成相 当存在几种晶体相时 分为主晶相 次晶相及第三晶相等 陶瓷的力学 物理及化学性能主要取决于主晶相 它的结构 数量 粒度 形态和分布决定了陶瓷的主要特点和应用 陶瓷的显微结构 玻璃相 玻璃相是陶瓷烧结时各组成物及杂质产生一系列物理 化学变化后形成的一种非晶态物质 主要作用是粘结分散的晶相 降低烧结温度 抑制晶粒长大和填充气孔 玻璃相熔点低 热稳定性差 导致陶瓷在高温下产生蠕变 所以工业陶瓷必须控制玻璃相的含量 一股为20 40 特殊情况下可达60 陶瓷的显微结构 气相 气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔 是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的 气孔对陶瓷性能有显著影响 唯一的好处是能使陶瓷密度减小 并能减震 但使陶瓷强度下降 介电耗损增大 电击穿强度下降 绝缘性降低 因此生产上要控制气孔数量 大小及分布 一般希望降低气孔体积分数 5 一10 力求气孔细小 呈球型 分布均匀 但有时需增加气孔 如保温陶瓷和过滤多孔陶瓷等 其气孔率可达60 陶瓷的显微结构 缺陷 陶瓷材料的性能 陶瓷材料的力学性能 弹性与强度 陶瓷材料的键合力强 弹性模量比金属大 硬度也高 然而由于陶瓷的成分 组织都不如金属材料纯 且缺陷多 因而实际强度要比金属低 金属材料的实际强度与理论强度的比值为1 3到1 50 而陶瓷则为1 100以下 增大陶瓷的致密度 减少缺陷 可以使强度大幅度提高 陶瓷材料的性能 陶瓷材料的力学性能 塑性和韧性 陶瓷材料的性能 陶瓷材料的物理性能 热性能 与温度有关的热性能对陶瓷材料非常重要 陶瓷的熔点高 一般在2000 以上 抗氧化性能好 高温强度好 抗蠕变性能强 适合做高温材料 陶瓷的膨胀系数较小 导热率较低 但陶瓷的抗热振性较差 即材料在温度急剧变化时抵抗破坏的能力小 陶瓷在温度变化较大时容易破坏 陶瓷材料的性能 陶瓷材料的物理性能 光 电性能 陶瓷晶体中没有自由电子 所以一般都是很好的绝缘材料 少数陶瓷具有半导体性质 陶瓷可以在电子工业中制造电子元件 某些陶瓷具有特殊的光学性能 加用作固体激光材料 光导纤维 光储备材料等 陶瓷材料的性能 陶瓷材料的化学性能 陶瓷的结构稳定 不易氧化 对酸 碱 盐的抗蚀能力高 可用于化工生产 工程陶瓷材料 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷又称为高铝陶瓷 主要成分是A12O3和SiO2 根据A12O3含量不同可分为75瓷 95瓷和99瓷 后两者称为刚玉瓷 A12O3含量越高 性能越好 但工艺复杂 成本高 氧化铝陶瓷强度大于普通陶瓷 硬度很高 仅次于金刚石 碳化硼 立方氮化硼和碳化硅 耐磨性很好 其耐高温性能好 刚玉瓷能在1600oC高温下长期工作 抗蠕变性能高 由于键合力很大 氧化铝为两性氧化物 所以其耐蚀性很强 氧化铝陶瓷也有很好的电绝缘性 特别是高频下的电绝缘性很好 工程陶瓷材料 氮化硅陶瓷 氮化硅是结合强度非常高的共价化合物 单纯高温难以烧结 其生产工艺与一般陶瓷不同 有反应烧结和热压烧结两种方法 氮化硅具有良好的耐热性和导热性 其导热率