陶瓷系列-1-微观结构与力学性能优秀课件

陶瓷材料 一 陶瓷材料的微观结构 玻璃 陶瓷 是玻璃还是陶瓷 二 结构陶瓷 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷三 电功能陶瓷四 铁氧体 一 陶瓷材料的微观结构 玻璃 晶体玻璃 冷却速度 须使金属不产生晶核也不发生晶核长大 晶体形成温度与时间的关系 冷却速度高于临界冷却速度以上时 金属不再发生结晶 C曲线 玻璃 非晶态合金块材制备方法大块非晶合金主要通过调整成分来获得强的非晶形成能力 Inoue等人提出了三条简单的经验性规律 合金系由三个以上组元组成 主要组元的原子有12 以上的原子尺寸差 各组元间有大的负混合热 为了控制冷却过程中的非均匀形核 一要提高合金的纯度 减少杂质 二要采用高纯惰性气体保护 尽量减少含氧量 玻璃 腓尼基人生活在今天地中海东岸 Na2CO3 NaHCO3 2H2O 玻璃 原料 纯碱 石灰石 石英主要成分Na2O CaO 6SiO2 3000多年前 洲腓尼商船载着块状的Na2CO3 NaHCO3 2H2O 由于海水落潮 商船搁浅了 于是船员们纷纷登上沙滩 有的船员还抬来大锅 搬来木柴 并用几块 天然苏打 作为大锅的支架 在沙滩 碳酸钙 二氧化硅 上做饭 玻璃 公元前8000 2000年 新石器时代 就发明了陶器 用陶土烧制的器皿叫陶器 用瓷土烧制的器皿叫瓷器 陶瓷则是陶器 炻器和瓷器的总称 陶瓷 黏土 陶瓷 高岭土 高岭土 即观音土 是富含高岭石这一矿物的土壤的名称 而高岭石的主要成分是Al203 2Si02 2H20 陶瓷 地壳中元素含量 陶瓷 黏土的主要成分 陶瓷 陶瓷 陶瓷 1 晶粒是陶瓷材料的主要组成相 硅酸盐硅酸盐是传统陶瓷的主要晶相 氧化物氧化物是大多数典型陶瓷 特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相 最重要的氧化物晶体相有AO AO2 A2O3 ABO3和AB2O4等 A B表示阳离子 非氧化物是指不含氧的金属碳化物 氮化物 硅化物及硼化物等 它们是新型陶瓷 特别是金属陶瓷的主要晶相和晶体相 主要由高键能的共价键结合 但也有离子键和金属键 陶瓷 陶瓷中的玻璃相的主要作用是 1 填充晶体相之间的空隙 并将分散的晶相粘结起来 提高材料的致密度 2 降低烧结温度 促进烧结 3 玻璃相粘度高 阻止晶体转变 抑制晶体长大 4 获得一定程度的玻璃特性 如透光性等 美国和欧洲一些国家的文献已将 Ceramic 一词理解为各种无机非金属固体材料的通称 是玻璃还是陶瓷 玻璃的微晶学说 1921年列别捷夫在研究硅酸盐玻璃时发现 玻璃加热到573 时其折射率发生急剧变化 而石英正好在573 发生 型的转变 在此基础上他提出玻璃是高分散的晶子的集合体 后经瓦连柯夫等人逐步完善 微晶的尺度在2nm左右 是玻璃还是陶瓷 透明微晶玻璃 微晶玻璃炉具面板 是玻璃还是陶瓷 是玻璃还是陶瓷 反常现象一 有的微晶玻璃不透明 在光照条件下 黑色的材料容易吸热金属材料容易吸热为什么 是玻璃还是陶瓷 透不过的光去了哪里 透射 反射 散射 1 转化为晶格振动 晶格热容 2 将电子激发到高能级 电子热容 金属的能级连续 所以各种能量的光子来者不拒 以至于不透明 是玻璃还是陶瓷 透不过的光去了哪里 透射 反射 散射 3 Al2O3单晶体是良好的对红外线 可见光透明的材料 但是以 Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非如此 原因是材料中存在尺度与红外线 可见光波长相当的缺陷 如玻璃相 气孔 杂质相等 晶界 引起透入光被不断地被散射 反射 折射 干涉甚至被吸收 最后基本被消耗在材料内部 是玻璃还是陶瓷 透不过的光去了哪里 透射 反射 散射 红宝石 主要成分是氧化铝 Al O 红色来自铬 Cr 主要为Cr2O3 含量一般0 1 3 最高者达4 是玻璃还是陶瓷 透不过的光去了哪里 透射 反射 散射 主要成分是氧化铝 Al O 蓝色是由于其中混有少量钛 Ti 和铁 Fe 杂质所致 蓝宝石的颜色 可以有粉红 黄 绿 白 甚至在同一颗石有多种颜色 材料呈蓝色 是由于它反射 激发 跃迁 是由于其与波长的光由于各种原因被吸收了 是玻璃还是陶瓷 反常现象二 可机械加工 可用标准金属加工工具和设备进行车 铣 刨 磨 钻 锯切和攻丝等加工 是玻璃还是陶瓷 是玻璃还是陶瓷 二 结构陶瓷 结构陶瓷具有耐高温 耐磨 耐腐蚀 耐冲刷 抗氧化 耐烧蚀 高温下蠕变小等优异性能 可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境 因而广泛应用于能源 航空航天 机械 汽车 冶金 化工 电子等领域 使用领域 机械陶瓷 热机陶瓷 生物化工陶瓷 通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类 核陶瓷及其他 二 结构陶瓷 按组分分类 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷 氧化物陶瓷 氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主 存在部分共价键 因此具有许多优良的性能 大部分氧化物具有很高的熔点 一般都在2000oC附近 氧化铝陶瓷 SiO2 添加SiO2作为助烧剂 在1600度形成液相 有利于烧结 Al2O3 与氧化铝形成液相的物质及出现液相的最低温度 氧化铝陶瓷 以Al2O3为主成分 氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料 通常应用于需要承受机械应力的结果用零件 尤其是利用其高熔点 高硬度 耐腐蚀 电绝缘性好等特性 作为苛刻条件下使用的结构件 氧化铝陶瓷 透明氧化铝陶瓷 Al2O3单晶体是良好的对红外线 可见光透明的材料 但是以 Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非如此 原因是材料中存在尺度与红外线 可见光波长相当的缺陷 如玻璃相 气孔 杂质相等 晶界 引起透入光被不断地被散射 反射 折射 干涉甚至被吸收 最后基本被消耗在材料内部 氧化铝陶瓷 通过以下方法可改善氧化铝的透光性 提高密度 以减少气孔 限制气孔的尺寸 使其不与透过光干涉 限制晶粒尺寸 减少晶粒尺寸 从而提高均匀性 提高材料的纯度 以减少玻璃相和杂质相 具体措施 采用高纯 细的Al2O3粉为原料 一般用硫酸铝氨热分解法生产的高纯Al2O3粉体为原料 掺杂MgO 0 5wt 在氢气氛下烧结 MgO作为助烧剂的作用机制 MgO的作用与其加入量有关 当加入量不超过MgO在Al2O3中的固溶度 0 3wt 时 固溶反应 2MgO 2MgAl 2O0 x V0 生成氧空位 有利于氧的固相扩散传质 从而促进烧结 当MgO的加入量大于固溶度时 未溶解部分与Al2O3反应 MgO Al2O3 MgO Al2O3 尖晶石 尖晶石是新的化合物 尖晶石颗粒分布于Al2O3主晶相的晶界上 阻碍晶界移动 称之为钉扎晶界 从而阻碍由于晶界移动过快导致的气孔进入晶粒内部的情形发生 气孔在晶界上通过晶界扩散更容易排除 钉扎晶界的结果还可以细化晶粒 烧结气氛 气氛对99瓷烧结的影响 1650 烧结 还原气氛或原子尺寸小的气氛对烧结更有利 还原气氛的影响机理是增加了氧空位 促进了扩散过程 又有实验表明 氨分解气氛 氢气氛会加速晶粒的异常长大 故建议最好的气氛为氩气或空气 这些实验结果有些矛盾 说明实际情况有些复杂 如果没有晶粒的异常长大 可以认为采用还原气氛烧结还是有利的 氧化锆陶瓷 氧化锆具有一定的韧性 使该材料机械性能大幅提高 尤其是室温韧性非常优异 因此作为热机 耐磨机械部件受到广泛的关注 此外 利用氧化锆的离子导电特性 还开发了氧化锆在氧传感器 燃料电池及发热元件等方面的应用 氧化锆陶瓷 1 离子键具有方向性2 位错运动会产生畴界 氧化锆陶瓷 氧化锆晶体结构及相变特性 氧化锆存在三种稳定的多型体 单斜相 m ZrO2 立方相 c ZrO2 和四方相 t ZrO2 氧化锆的基本物理性能 应力诱导相变增韧 氧化锆陶瓷 应力诱发 相变 氧化锆陶瓷 氧化锆陶瓷 微裂纹增韧机制 微裂纹弥散分布于陶瓷基体上 这些裂纹是由四方氧化锆颗粒转变为单斜氧化锆颗粒时体积膨胀所致 当有一个大裂纹扩展通过时 大裂纹前端的微小裂纹也产生扩展 化解掉外力做的功 微裂纹增韧只增加韧性 对强度有损害 应力诱发相变增韧 既增加韧性也增加强度 氮化物陶瓷 氮化物陶瓷材料 室温和高温强度高 硬度高 耐磨蚀性和良好的抗热冲击及机械冲击性能 被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良 最有希望代替镍基合金在高科技 高温领域中获得广泛应用的一种新材料 氮化物陶瓷的缺点是抗氧化能力差 氮化铝陶瓷 氮化铝发现于1842年 最初用于固氮剂及冶炼铝及铝合金的耐火材料 由于氮化铝陶瓷具有高热导率 理论热导率320W m K 与硅相匹配的热膨胀系数 无毒 密度低 比强度高的特点 近年来 氮化铝陶瓷作为新一代信息材料受到了广泛的关注 成为微电子工业中电路基板和封装的最理想材料 纯铜398W m K 氮化铝陶瓷 氮化铝 AlN 是一种人造材料 在自然界中并不存在 强度极大的共价键使得氮化铝具备高熔点 且凭借共价键之共振声子传递热能 使得氮化铝同时具备高热传导特性 氮化铝为少数热导率高的非金属固体 因其符合 1 原子键强 反例 气体导热性差 2 晶体结构简单 3 晶格震动谐振性高 氮化铝陶瓷 在电子工业方面的应用 氮化铝具有高的热导率 低的介电常数 绝缘以及与硅相接近的热膨胀系数等特点 使其在电子工业中的应用日益受到重视 过去的基片材料采用Al2O3 而AlN的热导率是Al2O3的5 10倍 更适合大规模集成电路要求 BeO材料虽具有优异的热导性能 但其剧毒性限制了它的工业中的广泛应用 金刚石虽导热性能优良 但其价格昂贵 不宜用作基片材料 在目前的非金属导热材料中 AlN陶瓷的综合性能良好 非常适用于电子工业 碳化物陶瓷 碳化物陶瓷的主要特点 高熔点 例如TiC的熔点为3460oC较高的硬度 例如碳化硼的硬度仅次于金刚石良好的导电性和导热性以及良好的化学稳定性 因此 碳化物陶瓷作为耐热材料 超硬材料 耐磨材料 耐腐蚀材料在诸多工业领域