北化大材料导论讲义第5章 陶瓷材料(共6学时)彩色版

CERAMICGreek:keramikos Burntstuff5.1.1密度与孔隙率表观体积：实际体积与材料内、外孔隙体积的总和真实体积：实际体积与内孔体积之和表观孔隙率：内、外孔总共占有的体积百分数真实孔隙率：内孔所占的体积百分数5.1.1密度与孔隙率一个物体在液体中所受浮力为该物体所排开液体的重量1.干燥重量WD2.孔隙中充满液体后的重量WS3.在液体中且充满液体后的重量WL5.1.1密度真实密度：dR真实孔隙率：5.1.1密度与孔隙率表观密度：dA表观孔隙率：5.1.1密度与孔隙率例5－1：碳化硅的理论密度ρ=3.2Mg/m3。有一碳化硅制品干重量为360g，浸饱水的重量为385g，水中重量为224g，求其表观密度，表观孔隙率，真实孔隙率及闭孔的体积分数。5.1.1密度与孔隙率表观密度：dA表观孔隙率：真实孔隙率闭孔的所占百分数应为真实孔隙率减去表观孔隙率：30－15.5=14.5。闭孔在孔体积中的分数为14.5/30=0.4835.1.25.1.2磨损阻力应力MPa磨损寿命因子应力MPa磨损寿命因子ALANXCG89碳化硅不锈钢硬镍钨铬钴合金96%氧化铝铸铁聚氨酯极限强度屈服塑性形变金属脆性断裂弹性区陶瓷513断裂韧性断裂0510152025应变%40035030025020015010050WBBWBB5.1.3断裂韧性W(a)单缺口试样(b)Chevron试样5.1.4抗热冲击性TSI=α×Eσ-拉伸强度α-线性热胀系数E－弹性模量（杨氏模量）5.1.4抗热冲击性一些材料的抗热冲击性质材料σ(MPa)k(W/cm°C)αE(GPa)TSI(W/cm)熔融SiO2686×1020.67294A12O32043×1015.434433石墨8.73.87.7416钠玻璃692×1029.22.15.2.2冷压与烧结烧结过程5.2.2冷压与烧结型坯的均匀压制(a)干法(b)湿法5.2.3热压：陶瓷热压装置陶瓷材料的加工5.2.3热压：陶瓷热压装置陶瓷材料的加工5.2陶瓷材料的加工5.2.3热压热压与冷压烧结Si3N4的性能比较烧结助剂/MPa/MPa热压SiN>98烧结SiN~90483热压SiN>99414烧结SiNBeSiN+SiO>99-热压SiN>99烧结SiN6%YO414窑炉陶瓷粉末粘合剂分散剂催化剂5.2陶瓷材料的加工窑炉陶瓷粉末粘合剂分散剂催化剂5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.1溶胶凝胶法混合机淤浆注入模具烧结烧掉粘合剂干燥凝胶化5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法胶体粒子间的凝聚HOi(OHHOi(OH)4OHOHHOHOOHOHS--------------------------------------5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法硅凝胶的形成过程-Si－OR＋H2O-Si－OR＋HO－Si--Si－OH＋HO－Si--Si－OH＋ROH-Si－O－SiROH-Si－O－SiH2O5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.2化学蒸汽渗透法(CVI)HeatingelementHotzoneExhaustgasHeatingelementPerforatedlidHotsurfaceFibrouspreformColdsurfaceFibrouspreformholderInfiltratedcompositeReactantgasesWaterInfiltratedcompositeReactantgases氧化铝/碳化硅复合材料氧化铝/碳化硅复合材料碳化硅纤维＋铝粉5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.2化学蒸汽渗透法反应熔体渗透法碳化硅纤维＋碳纤维 熔硅碳化硅/碳化硅复合材料5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.3反应烧结法烧结熔合(a)AAABAAAAB化学反应A化学反应A＋BABAAA(b)5.2陶瓷材料的加工5.2.45.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.3反应烧结法碳化硅＋碳粉 硅蒸汽硅熔体SiC/Si复合材料碳纤维织物＋硅熔体SiC纤维/Si复合材料GrowthbarrierOxygenatmosphereReinforcementMoltenalloycompositeGrowthbarrierOxygenatmosphereReinforcementMoltenalloycomposite5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.4定向氧化法PreformPreformReinforcedceramiccomposite5.2陶瓷材料的加工5.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法定向氧化法材料的性能温度/°CChevron缺口韧性/MPa•m1/22146127.848823.34005.2陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法5.2.4.4定向氧化法：外形复制重复复合材料预浸料模具成型热解涂层表面涂复重复复合材料预浸料模具成型热解涂层表面涂复热解陶瓷涂层纤维纺丝热解织物/型坯密实材料再浸渍5.2.4.5聚合物前驱体法硅树脂，如聚硅苯乙烯、乙烯基聚硅烷、聚硅氨烷、聚羰基硅烷等聚合物前驱体非挥发粘合剂与陶瓷粉混合模压热解/烧结密实陶瓷5.35.3工程陶瓷材料5.3.1氧化物5.3工程陶瓷材料5.3工程陶瓷材料5.3.1氧化物氧化物的性能性质氧化铝铝红柱石尖晶石堇青石氧化铝/氧化锆化学成分AlO3AlO•2SiOMgO•AlO2MgO•2AlO•5SiO20.0wt%AlO75.7wt%ZrO4.2wt%YO熔点/°C20152135热胀系数/(10/°C）8.34.5-5.37.6-8.81.4-2.69导热系数/(W/cm•K)0.270.0590.150.035杨氏模量/GPa366150-270240-260139-150260挠曲强度/MPa550500110-245120-24524005.35.3工程陶瓷材料5.3.2碳化物碳化物离子碳化物间隙碳化物共价碳化物5.3工程陶瓷材料5.3.2间隙碳化物共价碳化物5.3工程陶瓷材料5.3.2碳化物碳化物的性能碳化物密度/Mg/m熔点/韧性/（MPa•m）模量/GPa拉伸强度/MPa导热系数/W/m•K硬度/kg/mmBC2.512450445282900-3100SiC3.129723.041030083.62800TiC4.9430172500WC28002050-215038005.35.3工程陶瓷材料5.3.氮化物氮化物的性能硅铝氧氮氧氮化硅(SiNO)氮化铝（AlN）立方氮化硼杨氏模量/GPa300275-280260-35020挠曲强度/MPa750-950450-480235-370低低高理论密度/%2.903.202.272.273.48热胀系数/(10/K）3.0-3.74.34.4-5.72-6--导热系数/（W/m•K）15-228-1050-1702033--STRUCTURALAPPLICATIONSMineralprocessingequipmentMachinetools(CuttingSTRUCTURALAPPLICATIONSMineralprocessingequipmentMachinetools(Cuttingtools)Wearcomponents(PumpandValve)HeatexchangersAutomotiveproductsAerospacecomponentsMedicalproducts释放能量的面积：释放能量的面积：πa2单位面积的应变能：产生裂缝体系得到能量：4aγ产生裂缝体系的能量判据：2ba>>b2a定义强度因子：K=σ(πa)1/2断裂韧性：Kc=(EGc)1/25.4.1陶瓷基复合材料(a)Residualstressstatearoundthedispersoidhasahigherthermalexpansionthanthematrix(left),resultingincrackdeflection(right)CrackCrackp增韧机理增韧机理增韧机理(b)CrackbowingbetweendispersoidparticlesDirectionofpropagationPrimaryDirectionofpropagationPrimarycrackfrontBowedcrackfront增韧机理(c)Incorporationofmetallicparticlesmakesitpossibleforacracktorunaround增韧机理增韧机理(d)Whiskerreinforcementinvolvingdebonding,deflection,andbridgingDebonds(aroundwhisker)CracktipSiCMatrixcrackWhisker增韧机理(e):Platelets增韧机理(e):Plateletsbridgingacrackyσalt纤维拔出纤维拔出裂缝增长纤维断裂脱粘5.4.1陶瓷基复合材料纤维增韧机理5.4.1陶瓷基复合材料相对韧性相对韧性G/G棒状3.5盘状3.0增韧体几何形状的影响2.5形状的影响2.0球状1.5表面积增加1.0体积分数V00.10.20.3体积分数V5.4.2预应力法b)快速冷却法5.4.1陶瓷基复合材料不同纤维/基体结合力纤维断裂中界面结合高界面结合纤维断裂基体开裂低界面结合纤维拔出体积膨胀5.4.3氧化锆体系氧化锆的相变体积膨胀5.4.3氧化锆体系氧化锆的相变5215.4.3氧化锆体系单斜晶系单斜晶系四方晶系立方晶系1170°C2370°C5.4.3氧化锆体系稳定剂：氧化钙（CaO）氧化镁（MgO）氧化钇(Y2O3)氧化锆增韧机理（1）微裂纹化机理800700500400800700500400断裂韧性(KIC)/MPa•m1/2MPa挠曲强度强度ZrO(2)9873002003002000-100543韧性ZrO43韧性ZrO(2)200.040.080.120.160.20ZrO在AlO中的体积分数Vol%ZrO25.4.3氧化锆体系96S－烧结3HP－热压0Al2O3Si3N4SiC断裂韧性(KIC)/MPa•m断裂韧性(KIC)/MPa•m1/2氧化锆增韧材料氧化锆增韧机理(2)应力引发相转变机理半稳定ZrO2陶瓷基体裂缝转变区氧化锆增韧机理氧化锆增韧机理（3）表面层压缩机理5.4.3氧化锆体系两种韧性氧化锆陶瓷的力学性能22PSZ－半氧化锆TZP－四方多晶氧化锆玻璃：熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物熔融熔体状态cbde无定形玻璃与晶体的体积变化图熔融熔体状态cbde无定形玻璃与晶体的体积变化图液化温