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1、第六讲 先进陶瓷材料及其应用,主讲：张菁 材料工程教研室,2,问题提出,在许多苛刻的工作环境下，如高温、介质、机械等，需要材料具备抵抗的能力。,Application of Advanced Ceramics,3,火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦，复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等，,问题提出,例如，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变。,Application of Advanced Ceramics,4,问题提出,迫切要求研制与发展高温高强并具有特殊性能的新材料。 有什么结构材料能够发挥作用？强度高、寿命长、耐高温，膨胀系数小、化学稳定性好。 在这方面，结构陶瓷

2、占有绝对优势。 先进结构陶瓷材料就在这种背景下发展起来。,5,先进陶瓷材料及其应用,需要回答的几个问题：,1.什么是陶瓷材料？ 2.先进陶瓷在工程上如何发挥作用？,6,1.陶瓷材料概述,陶瓷是人类最早使用的材料之一 传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器 包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等,大汶口文化后期白陶鬲,其原材料是以粘土、石灰石、长石、石英、砂子等天然硅酸盐矿物（含SiO2的化合物）因此，传统的陶瓷材料是指硅酸盐材料。 近几十年来，陶瓷材料有了巨大发展，新型陶瓷材料的成分超出了硅酸盐， 如Al2O3、MgO和CaO氧化物陶瓷，SiC、BC和TiC等碳化物陶瓷，以及硼化物和氮化物陶瓷。

3、,7,工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。,1.陶瓷材料概述,8,1.陶瓷材料概述,陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的 是由无机化合物构成的多相固体材料 。,9,陶瓷材料的相组成特点,1.陶瓷材料概述,通常由三种不同的相组成,10,1.陶瓷材料概述,晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。,玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。,气相是在工艺过程中形成并保留下来的。,11,陶瓷的

4、组织和结构,晶体相 玻璃相 气 相,12,1.陶瓷材料概述,陶瓷材料的结合键特点,陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。,13,陶瓷材料以离子键结合为主，由于离子键的结合力大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。,NaCl,1.陶瓷材料概述,14,原料的制备,坯料的成形,制品的烧结,粘土细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可塑性，是作为基础。 石英无水SiO2，难熔，可减粘，在瓷坯中起骨架作用。 长石含K、Na、Ca离子的无水硅酸盐，属熔剂。,可塑成形传统陶瓷用较多 注浆成形浆料浇注到

5、石膏模中成形，用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形状复杂件 压制成形粉料加入塑化剂，在金属模具加压成形,干燥的毛坯加热高温烧结，相变获得要求的性能,陶瓷的成形,1.陶瓷材料概述,压制成型,17,陶瓷材料的工艺特点,1.陶瓷材料概述,粉体成型烧结,粉末烧结过程,19,1.陶瓷材料概述,陶瓷材料的性能特点,陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。,陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。,功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。,20,1.陶瓷材料概述,陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶

6、粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。,21,陶瓷材料的性能,刚度（弹性模量）,1.陶瓷材料概述,22,1.陶瓷材料概述,陶瓷的熔点,陶瓷材料的性能,23,硬度,陶瓷材料的性能,1.陶瓷材料概述,24,陶瓷材料的性能,25,(1)硬度 是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度 是各类材料中最高的。 （塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2) (3)强度 理论强度很高；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。 耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 (4

7、) 塑性低： 在室温几乎没有塑性。 (5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。,陶瓷材料的性能,1.陶瓷材料概述,26,(6) 热膨胀性低导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK） (7) 热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220） (8) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐） (9) 导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等） (10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。,陶瓷材料的性能,1.陶瓷材料概述,27,2.各

8、种陶瓷材料,普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料） 特种陶瓷（人工的化学或化工各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）原料,普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。,绝缘子,29,陶瓷材料分类,2.各种陶瓷材料,30,陶瓷的成分类别,氧化物（Oxides）Al2O3、ZrO2是最常用的 氮化物（Nitrides）Si3N4 、AlN是主要的先进陶瓷，具有高强度和高温性能，有着广泛的应用。 碳化物（Carbides）SiC，B4C具有非常好的热传导性，耐腐蚀、硬度高。 陶瓷基复合材料（Ceramic-based composites）,2.

9、各种陶瓷材料,31,导电玻璃,玻璃幕墙,2.各种陶瓷材料,32,结构陶瓷： 这类陶瓷是作为结构材料用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能，如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高温性能等。 不同成分陶瓷均可设计成为结构陶瓷，如Al2O3、Si3N4、ZrO2等，是常用的结构陶瓷。,2.各种陶瓷材料,陶瓷零件,33,功能陶瓷： 作为功能材料，主要是利用无机非金属材料除机械性能外的优异的物理和化学性能，如电磁性、热性能、光性能及生物性能等，用以制作功能器件。 例如用于制作电磁元件的铁氧体、铁电陶瓷；制作电容器的介电陶瓷；作为力学传感器的压电陶瓷，还有固体电解质陶瓷、生物陶瓷、光导纤维材料等大量的功能

10、性陶瓷。,电子陶瓷,2.各种陶瓷材料,34,结构陶瓷氧化铝陶瓷,成分： Al2O3少量SiO2,氧化铝陶瓷是一种技术成熟、工艺稳定、材料性能优良的结构陶瓷材料。由于其具有较好的耐磨性、抗腐蚀性以及具有较高的强度、硬度和相对较低的价格，因而被广泛的使用作为耐磨材料、密封制品等结构部件。同时氧化铝陶瓷又具有较佳的绝缘性能，也常作为绝缘部件应用于电子、电器零部件。,先进结构陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。,Al2O3化工、耐磨陶瓷配件,Al2O3密封、气动陶瓷配件,单相Al2O3陶瓷组织,瓷纺织件,瓷纺织件,氧化铝耐高温喷嘴,37,结构陶瓷

11、氮化硅陶瓷,成分：以Si3N4为主要成分的陶瓷 氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能。 用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。,氮化硅高性能陶瓷，是一种通过化学反应人工合成的结构材料。氮化硅材料具有密度小、高强度、高硬度、耐磨损、抗氧化、自润滑、电绝缘等一系列优良的性能。在航天航空、汽车发动、机械、化工、石油等领域有着广泛的用途。,氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚热偶套管，淬火钢的

12、切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。,热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。,Si3N4轴承,反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。,碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。,碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。,碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。,SiC密封件,氧化锆陶

13、瓷 氧化锆的晶型转变：立方相四方相单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。,减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。,氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。,47,结构陶瓷氧化锆陶瓷,1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等： 2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍

14、头等。 3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,氧化锆陶瓷是一种新型的结构材料，具有高强度、高硬度、耐腐蚀以及良好的韧性。如，氧化锆光纤套管、光纤插芯、导轮、无磁螺丝刀、印刷机用环刀等。广泛地应用于机械工程、光通讯、钢铁、电子等领域。,48,结构陶瓷氧化锆陶瓷,氧化锆增韧陶瓷材料质白、耐腐蚀、化学稳定性好；在应力诱导下发生马氏体相变而吸收应变能，成为在陶瓷材料中力学性能最好的材料；即在常温下具有最高的抗折强度和断裂韧性，因而氧化锆增韧陶瓷具有出色的耐磨性能。它在机械、电子、石油、化工、航天和纺织等行业有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。,可切削陶瓷,

15、部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大（接近于发动机中使用的金属），抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。,50,结构陶瓷碳化硅陶瓷,以SiC为主要成分的陶瓷。 具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持； 在500600MPa，工作温度可达1700；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。 制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。,碳化硅陶瓷是一种具有较高硬度、高强度、耐腐蚀的材料，

16、且具有较好的抗震性，应用领域极为广泛。此材料被广泛的应用于化工、机械、石油、钢铁、电子等领域。主要产品有：导轮、密封环、密封套管、承载匣等。,51,功能陶瓷铁电陶瓷,有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。 铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。,52,压电陶瓷,铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为压电陶瓷。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。 压电陶瓷

17、在工业、国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件等。利用压电效应将机械能转换为电能或把电能转换为机械能的元件称为换能器。,53,氧化锆固体电解质陶瓷,ZrO2中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。,54,导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要有钛酸钡陶瓷，具有正电阻温度系数，应用非常广泛。如用于电动机、收录机、计算机、复印机、变压器、烘干机、暖风机、电烙铁、彩电消磁、燃料的发热体、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。,半导体陶瓷,55,功能陶瓷,Ce

18、ramic substrates for electronic devices 电子陶瓷,Fiber Optics Wire 光纤,56,3.先进陶瓷材料的应用,Silicon Carbide is a very hard wearing material, again requiring diamond-grinding methods to process once fired. Although not exclusively, carbides are used mainly for applications in which physical wear is a major cons

19、ideration. They are amongst the hardest materials available. Typical applications: valve seats; bearings.,阀座valve seats,57,90年代初，日本Niihara首次报道了以纳米尺寸的碳化硅颗粒为第二相的纳米复相陶瓷，具有很高的力学性能。纳米颗粒Si3N4、SiC超细微粉分布在材料在内部晶粒内，增强了晶界强度，提高了材料的力学性能，易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料。 指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。,纳米

20、陶瓷,拉丝模 由于颗粒的线度减少而引起表面效应和体积效应，使得材料的物理、化学性质发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊的物理与化学性质。,58,纳米陶瓷的性能,高强度： 纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4-5倍, 如在 100度下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。 日本的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定了其相关的力学性能，研究表明纳米陶瓷复合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均有较大程度的改善， 对 Al2O3/SiC 系统来说，纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提高了3-4倍。,59,

21、韧性： 传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表现出很强的脆性， 但是纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性。 如室温下的纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长度的 1/4仍不破碎。 1988年Lzaki 等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。,纳米陶瓷的性能,60,超塑性： 超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下，材料产生较大的拉伸形变。 如 Nieh 等人在四方二氧化锆中加入 Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%。 上海硅酸盐研究所研究发现，纳米 3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在经室温循环拉伸试验后，其样品的断口区域发生

22、了局部超塑性形变，形变量高达380%，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线， 这些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。,纳米陶瓷,61,烧结特性： 纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600,烧结过程也大大缩短。12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度 400-600下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。 通过对加3%Y2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶粒生长这 2个高温动力学过程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。

23、,纳米陶瓷的应用,62,1、应用于提高陶瓷材料的机械强度 结构陶瓷是以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。 用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有效减少材料表面的缺陷,获得形态均一和平滑的表面,能增强界面活性,提高材料单晶的强度,还能有效降低应力集中,减少磨损,特别是可以有效提高陶瓷材料的韧性。,纳米陶瓷的应用,63,2、应用于提高陶瓷材料的超塑性 只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑移,使材料具有塑性行为。,纳米陶瓷的应用,64,3、应用于制备电子(功能)陶瓷 纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于制备电子陶瓷,原因在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加,当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级,则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数增加 。,纳米陶瓷的应用,电子陶瓷,65,4、应用于