工程材料ch5,6 陶瓷及复合材料

1、第第4章章 高分子材料高分子材料 4.1 工程塑料工程塑料 4.2 合成纤维合成纤维 4.3 合成橡胶合成橡胶 4.4 胶粘剂胶粘剂 第第5章章 陶瓷材料陶瓷材料 5.1 陶瓷材料概述陶瓷材料概述 5.2 普通陶瓷普通陶瓷 5.3 特种陶瓷特种陶瓷 陶器陶器 瓷器瓷器 玻璃玻璃 搪瓷搪瓷 耐火材料耐火材料 砖瓦砖瓦 现今现今 无机非金属材料无机非金属材料的通称。的通称。 传统意义上陶瓷：传统意义上陶瓷： 粘土粘土 石英石英 长石长石 石灰石石灰石 硅酸盐类材料硅酸盐类材料 5.1 陶瓷材料概述陶瓷材料概述 1. 陶瓷的概念陶瓷的概念 无机玻璃：无机玻璃： 微晶玻璃（玻璃陶瓷）：微晶玻璃（玻璃陶

2、瓷）： 工程陶瓷：工程陶瓷： 普通陶瓷普通陶瓷 特种陶瓷特种陶瓷 金属陶瓷金属陶瓷 2. 陶瓷的分类陶瓷的分类 (1)原料制备原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）（粘土，石英，长石等天然材料） 特种陶瓷特种陶瓷（人工的化学或化工原料（人工的化学或化工原料-各种化合物各种化合物 如氧、碳、氮、硼化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形坯料的成形（压制成形压制成形，可塑成形，注浆成形），可塑成形，注浆成形） (3)烧成或烧结烧成或烧结 3. 工程陶瓷的生产工程陶瓷的生产 (SiO2Al2O3Fe2O3CaO)SiO2

3、SiO2Al2O3K2O 4. 4. 陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构 陶瓷的典型组织：陶瓷的典型组织： 晶体相晶体相 玻璃相玻璃相 气相气相 1) 刚度：高刚度：高 2) 硬度：高硬度：高 3) 强度：低强度：低 4) 塑性：低塑性：低 5) 韧性或脆性：极低或极大韧性或脆性：极低或极大 5. 陶瓷材料的机械性能陶瓷材料的机械性能 1) 热膨胀性能：低热膨胀性能：低 2) 导热性：差导热性：差 3) 热稳定性：低热稳定性：低 4) 化学稳定性：好化学稳定性：好 5) 导电性：差导电性：差 6. 陶瓷的物理和化学性能陶瓷的物理和化学性能 材料类型材料类型结合键结合键性能特点性能特点 金属材料金属材

4、料金属键金属键 强度高、韧性好，塑性变形能力强，综合机强度高、韧性好，塑性变形能力强，综合机 械性能好，通过热处理可以大幅度改变机械械性能好，通过热处理可以大幅度改变机械 性能，导电、导热性好性能，导电、导热性好 高分子材高分子材 料料 共价键、共价键、 分子键分子键 低强度、高弹性、粘弹性、韧性好、高减摩、低强度、高弹性、粘弹性、韧性好、高减摩、 耐磨性、耐磨性、高绝缘性、低耐热性、低导热性、高绝缘性、低耐热性、低导热性、 高热膨胀性、高化学稳定性、高热膨胀性、高化学稳定性、老化老化 陶瓷材料陶瓷材料 离子键、离子键、 共价键共价键 不可燃烧，高耐热，高化学稳定，不老化，不可燃烧，高耐热，高

5、化学稳定，不老化， 高硬度，良好抗压能力；脆性高，温度急变高硬度，良好抗压能力；脆性高，温度急变 抗力低，抗拉抗弯性能差抗力低，抗拉抗弯性能差 金属、高分子、陶瓷材料结构性能比较金属、高分子、陶瓷材料结构性能比较 5.1 普通陶瓷普通陶瓷 1、普通日用陶瓷、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、普通工业陶瓷 建筑卫生瓷、化学化工瓷、电工瓷建筑卫生瓷、化学化工瓷、电工瓷 特种陶瓷特种陶瓷现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷 特种特种结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷，如压电陶

6、瓷、磁性陶瓷、，如压电陶瓷、磁性陶瓷、 电容器陶瓷、高温陶瓷等。电容器陶瓷、高温陶瓷等。 工程上最重要的是工程上最重要的是高温陶瓷高温陶瓷。 高温陶瓷主要包括高温陶瓷主要包括氧化物陶瓷氧化物陶瓷、硼化物陶瓷硼化物陶瓷、氮化氮化 物陶瓷物陶瓷和和碳化物陶瓷碳化物陶瓷。 5.2 特种陶瓷特种陶瓷 5.2.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 熔点大多在熔点大多在2000以上，烧成温度在以上，烧成温度在1800左右。左右。 氧化物陶瓷在氧化物陶瓷在1000以下一直保持较高的强度。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。单相多晶体结构，有时有少量气相。 很好的很好的高耐火度结构材料高耐火度结构材

7、料，任何高温下都不会氧化。，任何高温下都不会氧化。 例：例：Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2和和UO2 2050，抗氧化性好抗氧化性好，广泛用作，广泛用作耐火材料耐火材料 微晶刚玉的硬度极高微晶刚玉的硬度极高，红硬性达红硬性达1200 很好的很好的电绝缘和绝热材料，电绝缘和绝热材料，具有具有很高的电阻率和低的导热率；很高的电阻率和低的导热率； 很好的很好的高温耐火结构材料，高温耐火结构材料，其强度和耐热强度均较高其强度和耐热强度均较高 1氧化铝氧化铝(刚玉刚玉,Al2O3)陶瓷陶瓷 氧化铝热电偶套管氧化铝热电偶套管氧化铝陶瓷喷嘴氧化铝陶瓷喷嘴氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷密封

8、环 性能特点：性能特点：导热性极好导热性极好，很高的热稳定性；抗热冲，很高的热稳定性；抗热冲 击性较高。击性较高。 应用：应用：坩埚坩埚，真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等。，真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等。 2氧化铍氧化铍(BeO)陶瓷陶瓷 3氧化镁钙氧化镁钙(CaO,MgO)陶瓷陶瓷 抗各种金属碱性渣的作用，因而用作炉衬的抗各种金属碱性渣的作用，因而用作炉衬的耐火砖耐火砖。 u熔点熔点2700以上，能耐以上，能耐2300 的高温，的高温， u能抗熔融金属的侵蚀，能抗熔融金属的侵蚀， u应用：应用：铂、锗等金属的冶炼坩埚铂、锗等金属的冶炼坩埚和和1800以上的以上的发热发热 体及炉子、反应堆绝热材料体及

9、炉子、反应堆绝热材料等。等。 u氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。 4氧化锆氧化锆(ZrO2)陶瓷陶瓷 碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。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。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，但在热导率很高，而热膨胀系数很小，但在900一一1300 时会慢慢氧化。时会慢慢氧化。 应用：应用：加热元件、石墨表面保护层以及砂轮和磨料等加热元件、石墨表面保护层以及砂轮和磨料等 5.2.2 碳化物陶瓷碳化物陶瓷 1碳化硅碳化硅(SiC)陶瓷陶瓷 碳化硼陶瓷的碳化硼陶瓷的硬

10、度极高硬度极高，抗磨粒磨损能力很强抗磨粒磨损能力很强； 熔点高达熔点高达2450左右，但在高温下会快速氧化，并左右，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。且与热或熔融黑色金属发生反应。 用途：用途：磨料磨料，有时用于，有时用于超硬质工具材料超硬质工具材料。 2碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷 高硬度高硬度 具有较好的耐化学侵蚀能力具有较好的耐化学侵蚀能力 具有较高的抗高温氧化性能具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达，使用温度达1400。 应用：应用：高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处 理熔融非铁金属的器件等。理熔融非铁金属的器件等。 5.2.3

11、硼化物陶瓷硼化物陶瓷 优良的耐磨减摩材料：优良的耐磨减摩材料：硬度高、摩擦系数低，且有自硬度高、摩擦系数低，且有自 润滑作用润滑作用 优良的高温结构材料：优良的高温结构材料：在在1200以下具有较高的机械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：优良的耐腐蚀材料：能耐各种无机酸能耐各种无机酸(氢氟酸除外氢氟酸除外)和和 碱溶液侵蚀。碱溶液侵蚀。 5.2.4 氮化物陶瓷氮化物陶瓷 氮化硅氮化硅(Si3N4)和氮化硼和氮化硼(BN) 1氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 具有石墨类型的六方晶体结构，因而也叫具有石墨类型的六方晶

12、体结构，因而也叫“白色石墨白色石墨”。 特点：硬度较低，可与石墨一样进行各种切削加工；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；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。高温下耐腐蚀、绝缘性好。 应用：应用：高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。 2氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 第六章第六章 复合材料复合材料 6.1 复合材料的复合原则复合材料的复合原则 6.2 复合材料的性能特点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 6.4 金属基复合材料金属基复合材料 l最大特点

13、：最大特点：性能比组成材料的性能优越得多。性能比组成材料的性能优越得多。 l由由金属金属、高分子高分子和和陶瓷陶瓷中任两种或几种制备而成。中任两种或几种制备而成。 第六章第六章 复合材料复合材料 l定义：定义：指两种或两种以上的物理、化学性质不同的物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。质，经一定方法得到的一种新的多相固体材料。 例：例：木材木材；钢筋混凝土钢筋混凝土；土坯；玻璃纤维挡泥板土坯；玻璃纤维挡泥板 6.1 复合材料的复合原则复合材料的复合原则 组成：组成：基体材料基体材料和和增强相增强相 基体：基体：金属、非金属金属、非金属 增强相：增

14、强相：具有强结合键材料或硬质材料具有强结合键材料或硬质材料，可以是，可以是 纤维纤维、颗粒颗粒、晶须晶须等。等。 两者的类型和性质以及两者之间的结合力，决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。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。大大影响复合材料的性能。 增强相，强结合键，增强相，强结合键，陶瓷陶瓷、玻璃玻璃等，脆性大等，脆性大细纤维细纤维 高分子基，高分子基， 有效阻止基体分子链的运动有效阻止基体分子链的运动 金属基，金属基， 有效阻止位错的运动有效阻止位错的运动 6.1.1 纤

15、维增强复合材料的复合机制和原则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应对纤维相有润湿性；基体相还应有一定的塑基体相还应有一定的塑 性和韧性性和韧性。 (3) 纤维相与基体之间结合强度应适当高纤维相与基体之间结合强度应适当高。 复合原则：复合原则： (4) 基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大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纤维和基体间

16、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颗粒复合材料的复合机制和原则 l颗粒复合材料颗粒复合材料 阻碍分子链或位错的运动阻碍分子链或位错的运动。 l增强的效果同样与颗粒的体积含量、分布、尺寸等增强的效果同样与颗粒的体积含量、分布、尺寸等 密切相关。密切相关。 复合原则：复合原则： (1)颗粒相应高度均匀弥散分布在基体中颗粒相应高度均匀弥散分布在基体中，阻碍分子链，阻碍分子链 或位错运动。或位错运动。 (2)颗粒大小应适当，颗粒大小应适当，颗粒直径为几微米到几十微米。颗粒直径为几微米到几十微米。 (3)颗粒的体积含量应在颗粒的体积含量应在20以上以上。 (4)颗粒与基体

17、之间应有一定的结合强度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高的比强度和比模量是复合材料的突出性能特点。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。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 非金属基复合材料又分为：非金属基复合材料又分为： 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 石墨基复合材料石墨基复合材料 混凝土基复合材料混

18、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 热固性玻璃钢热固性玻璃钢 以以热固性树脂热固性树脂为粘接剂的为粘接剂的玻璃纤维玻璃纤维增强材料。增强材料。 酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅树脂等。酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅树脂等。 优点：优点：成型工艺简单、质量轻、比强度高、耐蚀性能好；成型工艺简单、质量轻、比强度高、耐蚀性能好； 缺点：缺点：弹性模量低、耐热温度低弹性模量低、耐热温度低(低于低于250)、易老化。、易老化。 （1）玻璃钢）玻璃钢 热塑性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。以热塑

19、性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料。 尼龙、尼龙、ABS、聚苯乙烯热塑性玻璃钢、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。其应用非常广泛。 性能特点：性能特点： 碳纤维比玻璃纤维有更高的强度；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；弹性模量比玻璃纤维高几倍； 高低温性能好：在高低温性能好：在2000以上的高温下，强度和弹以上的高温下，强度和弹 性模量基本不变，性模量基本不变，-180以下时脆性也不增高；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。很高的化学稳定性、导电性和

20、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）碳纤维树脂复合材料 硼纤维的比强度与玻璃纤维的相近；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但比弹性模量却比玻璃纤维的高5倍；倍； 而且耐热性更高，无氧化条件下可达而且耐热性更高，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、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，耐辐射硬度和弹

21、性模量高，尤其是其疲劳强度很高，耐辐射 及导热极好。及导热极好。 （3）硼纤维树脂复合材料）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。高温、耐磨耐蚀和良好的韧性。 6.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 u碳纤维及其制品碳纤维及其制品(如碳毡如碳毡)增强的碳基复合材料，其组成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。对热冲击不敏感。 u强度和冲击韧性比石墨高强度和冲击韧性比石墨高510倍，比强度非常

22、高；随倍，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。性高，耐磨性极好。最好的高温复合材料，耐温最高可最好的高温复合材料，耐温最高可 达达2800。 u性能主要取决于碳纤维的类型、含量和取向等。性能主要取决于碳纤维的类型、含量和取向等。 u一般是单向增强复合材料沿纤维方向强度最高，但横向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。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。热稳定性和抗料。氧化物金属陶瓷多以铬为粘接金属。热稳