ch56陶瓷及复合材料解析.ppt

第5章陶瓷材料,5.1陶瓷材料概述5.2普通陶瓷5.3特种陶瓷,陶器瓷器玻璃搪瓷耐火材料砖瓦,现今无机非金属材料的通称。,传统意义上陶瓷：,粘土石英长石石灰石,5.1陶瓷材料概述,1.陶瓷的概念,无机玻璃：硅酸盐玻璃，非晶结构。包括：工业玻璃；建筑玻璃；日用玻璃微晶玻璃（玻璃陶瓷）：耐热耐蚀微晶玻璃，光学玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷工程陶瓷：普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔特种陶瓷电容器，压电，磁性，电光，高温金属陶瓷金属与陶瓷的复合材料,2.陶瓷的分类,(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料-各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（压制成形，可塑成形，注浆成形）(3)烧成或烧结,3.工程陶瓷的生产,4.陶瓷材料的结构,陶瓷的典型组织：晶体相、玻璃相和气相,组织：点状一次莫来石、针状二次莫来石、块状残留石英、小黑洞气孔,1)刚度：高2)硬度：高3)强度：低4)塑性：低5)韧性或脆性：极低或极大,5.陶瓷材料的机械性能,1)热膨胀性能：低2)导热性：差3)热稳定性：低4)化学稳定性：好5)导电性：差,6.陶瓷的物理和化学性能,金属、高分子、陶瓷材料结构性能比较,5.1普通陶瓷,1、普通日用陶瓷日用器皿和瓷器，光泽度、透明度，热稳定性和机械强度,2、普通工业陶瓷,建筑卫生瓷、化学化工瓷、电工瓷,特种陶瓷现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷特种结构陶瓷和功能陶瓷，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的是高温陶瓷。高温陶瓷主要包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。,5.2特种陶瓷,5.2.1氧化物陶瓷,熔点大多在2000以上，烧成温度在1800左右。氧化物陶瓷在1000以下一直保持较高的强度。单相多晶体结构，有时有少量气相。很好的高耐火度结构材料，任何高温下都不会氧化。例：Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2和UO2,2050，抗氧化性好，广泛用作耐火材料微晶刚玉的硬度极高，红硬性达1200很好的电绝缘和绝热材料，具有很高的电阻率和低的导热率；很好的高温耐火结构材料，其强度和耐热强度均较高,1氧化铝(刚玉,Al2O3)陶瓷,性能特点：导热性极好，很高的热稳定性；抗热冲击性较高。应用：坩埚，真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等。,2氧化铍(BeO)陶瓷,3氧化镁钙(CaO,MgO)陶瓷抗各种金属碱性渣的作用，因而用作炉衬的耐火砖。,熔点2700以上，能耐2300的高温，能抗熔融金属的侵蚀，应用：铂、锗等金属的冶炼坩埚和1800以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。,4氧化锆(ZrO2)陶瓷,碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。硬度高于刚玉和氧化铍的硬度。热导率很高，而热膨胀系数很小，但在900一1300时会慢慢氧化。应用：加热元件、石墨表面保护层以及砂轮和磨料等,5.2.2碳化物陶瓷,1碳化硅(SiC)陶瓷,碳化硼陶瓷的硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点高达2450左右，但在高温下会快速氧化，并且与热或熔融黑色金属发生反应。用途：磨料，有时用于超硬质工具材料。,2碳化硼陶瓷,高硬度具有较好的耐化学侵蚀能力具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400。应用：高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。,5.2.3硼化物陶瓷,优良的耐磨减摩材料：硬度高、摩擦系数低，且有自润滑作用优良的高温结构材料：在1200以下具有较高的机械性能和化学稳定性，并且热膨胀系数小，抗热冲击优良的耐腐蚀材料：能耐各种无机酸(氢氟酸除外)和碱溶液侵蚀。,5.2.4氮化物陶瓷,氮化硅(Si3N4)和氮化硼(BN),1氮化硅陶瓷,具有石墨类型的六方晶体结构，因而也叫“白色石墨”。特点：硬度较低，可与石墨一样进行各种切削加工；导热和抗热性能高，耐热性好，有自润滑性能；高温下耐腐蚀、绝缘性好。应用：高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。,2氮化硼陶瓷,第六章复合材料,6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料,最大特点：性能比组成材料的性能优越得多。由金属、高分子和陶瓷中任两种或几种制备而成。,第六章复合材料,定义：指两种或两种以上的物理、化学性质不同的物质，经一定方法得到的一种新的多相固体材料。例：木材；钢筋混凝土；土坯；玻璃纤维挡泥板,6.1复合材料的复合原则,组成：基体材料和增强相基体：金属、非金属增强相：具有强结合键材料或硬质材料，可以是纤维、颗粒、晶须等。两者的类型和性质以及两者之间的结合力，决定着复合材料的性能。增强相的形状、数量、分布以及制备过程等也大大影响复合材料的性能。,增强相，强结合键，陶瓷、玻璃等，脆性大细纤维高分子基，纤维增强相起到有效阻止基体分子链的运动金属基，纤维增强相的作用就是有效阻止位错的运动,6.1.1纤维增强复合材料的复合机制和原则,(1)纤维相应有高的强度和模量，并且要高于基体材料。(2)基体相应对纤维相有润湿性；基体相还应有一定的塑性和韧性。(3)纤维相与基体之间结合强度应适当高。,复合原则：,(4)基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大。(5)纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布。(6)纤维和基体间不能发生有害的化学反应。,6.1.2颗粒复合材料的复合机制和原则,对于颗粒复合材料，颗粒的作用是阻碍分子链或位错的运动。增强的效果同样与颗粒的体积含量、分布、尺寸等密切相关。,复合原则：(1)颗粒相应高度均匀弥散分布在基体中，阻碍分子链或位错运动。(2)颗粒大小应适当，颗粒直径为几微米到几十微米。(3)颗粒的体积含量应在20以上。(4)颗粒与基体之间应有一定的结合强度。,1、高的比强度和比模量是复合材料的突出性能特点。2、很好的抗疲劳性能，好的抗断裂能力。3、具有很优越的耐高温性能4、良好的减摩、耐磨性和较强的减振能力,6.2复合材料的性能特点,6.3非金属基复合材料,非金属基复合材料又分为：聚合物基复合材料陶瓷基复合材料石墨基复合材料混凝土基复合材料其中以纤维增强聚合物基和陶瓷基复合材料最为常用,热固性玻璃钢以热固性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料。酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅树脂等。优点：成型工艺简单、质量轻、比强度高、耐蚀性能好；缺点：弹性模量低、耐热温度低(低于250)、易老化等。,（1）玻璃钢,热塑性玻璃钢以热塑性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料。尼龙、ABS、聚苯乙烯热塑性玻璃钢成型性更好、生产率更高，而且比强度并不低，所以其应用非常广泛。,性能特点：碳纤维比玻璃纤维有更高的强度；弹性模量比玻璃纤维高几倍；高低温性能好：在2000以上的高温下，强度和弹性模量基本不变，-180以下时脆性也不增高；很高的化学稳定性、导电性和低的摩擦系数。缺点：脆性大，与树脂的结合力较弱，表面氧化处理碳纤维树脂复合材料性能普遍优于树脂玻璃钢,（2）碳纤维树脂复合材料,硼纤维的比强度与玻璃纤维的相近；但比弹性模量却比玻璃纤维的高5倍；而且耐热性更高，无氧化条件下可达1000。这类材料的抗压强度和剪切强度都很高，并且蠕变小、硬度和弹性模量高，尤其是其疲劳强度很高，耐辐射及导热极好。,（3）硼纤维树脂复合材料,陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性。,6.3.2陶瓷基复合材料,碳纤维及其制品(如碳毡)增强的碳基复合材料，其组成元素为单一的碳，密度小、导热性高、膨胀系数低以及对热冲击不敏感。强度和冲击韧性比石墨高510倍，比强度非常高；随温度升高，强度升高；断裂韧性高、蠕变低；化学稳定性高，耐磨性极好。最好的高温复合材料，耐温最高可达2800。性能主要取决于碳纤维的类型、含量和取向等。一般是单向增强复合材料沿纤维方向强度最高，但横向性能较差，正交增强可以减少纵、横两向的强度差异。,6.3.3碳基复合材料,金属陶瓷是金属和陶瓷组成的非均质颗粒增强型复合材料。氧化物金属陶瓷多以铬为粘接金属。热稳定性和抗氧化能力较好、韧性高。碳化物金属陶瓷是应用最广泛的金属陶瓷。通常以Co或Ni作金属粘接剂。根据金属含量不同可作耐热结构材料或工具材料。硬质合金碳化物金属陶瓷作工具材料。,6.4金属基复合材料,6.4.1金属陶瓷,20世纪60年代硼纤维增强铝基复合材料开发碳化硅纤维、氧化铝纤维以及高强度金属丝基体材料也扩展到了镁合金、钛合金和镍合金等。除了金属丝增强外，增强相都是无机非金属材料，一