第五章 高温结构陶瓷.ppt

1、高温结构陶瓷材料,氧化物陶瓷： Al2O3 2050, ZrO2 2713, MgO 2800, BeO 2530, ThO2 3050, 碳化物陶瓷: SiC 2600, B4C 2350, TiC 3107 氮化物陶瓷: Si3N4 1900, Sialon, AlN 2450, BN 3000, TiN 2950 硼化物陶瓷 ZrB2 3040, TiB2 2960 硅化物陶瓷: MoSi2 2030 复合物陶瓷: （1）金属陶瓷 （2）纤维增强复合材料,（3）陶瓷-晶须复合材料,第五章 氧化物高温陶瓷第一节 氧化铝陶瓷一、氧化铝陶瓷类型与结构 以-Al2O3为主晶相陶瓷材料。其含量一般

2、在75 99.9%。 含量：75瓷、 85瓷、 95瓷、 99瓷 主晶相：莫来石瓷（45 75%)、刚玉 - 莫来石瓷 （70 90%) 、刚玉瓷（90 99.9%) 其主要晶型与制备工艺密切相关：,分类,-Al2O3 尖晶石型，立方结构，3.60g/cm3 高温不稳定，力学性能差，结构松散。 - Al2O3 MeO6 Al2O3，Me2O11Al2O3，六方， 3.30 3.63g/cm3 其结构如右图：R+、R2+、Al11O12 由于结构特点，呈现离子型导电。,- Al2O3 三方结构，单位晶胞 - 菱面体，其它变体在1000 1600 时不可逆转变为型，结构致密，活性低 熔点：2050

3、，真比重 3.96 4.01, 硬度：莫氏9， 强度：250 550MPa, 160 380MPa（1000） 热导率：20W/mK, 热膨胀系数：7.8-8.610-6/ 比热：0.2kcal/kg， 电阻率：101415cm，介电常数9.5 - 10，介质损耗10-4,二、Al2O3原料的制备,1.工业纯氧化铝 碱法 -Al2O3（0.1um粒子组成的多孔球，气孔率30%，粒径3070um） 2. 高纯氧化铝 化学法 3.电熔刚玉料 Al2O3(xSiO2yFe2O3zTiO2)+vCAl2O3+vCO+Fe2ySixTiz 温度：2000 2400,三、刚玉瓷 1. 原料的处理 煅烧、粉

4、磨（球磨、振动磨、星型 磨、气流磨等） 煅烧目的： 1）稳定晶型 2）减少收缩 （-Al2O3- Al2O3 V = 13%） 3）降低钠离子含量，提高原料纯度及 产品质量 煅烧质量检验： 1）XRD 2）染色法 3）光学显微镜法 4）真密度法,2.成型 （1）干压 （2）挤制成型及轧膜成型 （3）流延法 （4）热压铸成型 （5）注浆成型 （6）等静压成型 （7）注凝成型 3.烧成 1）降低烧成温度: (1) 原料细度；(2) 成型密度；(3) 烧结助剂；(4)玻璃熔块 2）气氛对烧结的影响: 致密度: Ar H2 NH3 O2 N2 air 抑制晶粒长大: Ar air N2 O2 H2 N

5、H3,4. 烧结Al2O3中的添加剂 1) 与Al2O3生成固溶体：TiO2、Cr2O3、Fe2O3、Mn2O3等 2) 与Al2O3生成液相：高岭土、硼镁石、MgO、CaO、SiO2、BaO等 A. MgO 细晶，加入量0.04 0.61%， 不大于2% B. SiO2 低共熔体 低共熔点：MgO-Al2O3-SiO2 1345 CaO-Al2O3-SiO2 1170 BaO-Al2O3-SiO2 1030 CaO-B2O3-Al2O3-SiO2 997 C. CaO 电性能较好，C/S比 = 1佳，避免S/C = 2.16 D. Cr2O3 提高硬度，3%时达最大,5. 几种典型的95瓷配

6、方,四、氧化铝的性质和用途,用 途： 1）电阻大：电路基板、绝缘装置瓷等 2）强度大：刀具、轴承、喷嘴等 3）化学稳定性好：化工、生物陶瓷等,五、黑色氧化铝陶瓷 集成电路的光敏性 遮光性，数码管 显示清晰 ,六、透明Al2O3陶瓷 高致密度 晶界上无空隙、无杂质或玻璃相 透明条件 晶粒细小均匀 晶体对光的吸收小 无光学各向异性（立方） 表面光洁度高 高纯度、高致密化入手： 1. 原料 2. 配方 3. 等静压成型 4. 真空或氢气等气氛烧结 5. 晶粒尺寸 20m, Dm/Da在1.8以内,第二节 氧化锆陶瓷,一、概述 是一种十分重要的结构陶瓷，有许多优良特性，特别是断裂韧性高。 氧化锆的晶型

7、转变： 单斜-ZrO2 四方-ZrO2 立方-ZrO2 液相,氧化锆晶胞参数： ZrO2（c）: Fm3m ac= 5.124 d = 6.27g/cm3 ZrO2（t）: P42/nmc at = 5.094 ct = 5.177 d = 6.10g/cm3 ZrO2（m）: P21/c am = 5.156 bm= 5.191 cm = 5.304 = 98.90 d = 5. 65g/cm3,特点：单斜-ZrO2向四方-ZrO2转变有7%左右体积变化 加热：单斜-ZrO2 四方-ZrO2 体积收缩 相变温度约1200 冷却：四方-ZrO2单斜-ZrO2 体积膨胀 相变温度约1000,二、

8、氧化锆粉料的制备 1. 氯化、热分解法 ZrO2SiO2 + C +Cl2 ZrCl4 + SiCl4 + 4CO ZrCl4 水解 ZrOCl2 煅烧 ZrO2 2. 碱金属氧化物分解法 ZrO2SiO2 + 4NaOH Na2ZrO3 + Na2SiO3 + H2O Na2ZrO3 水洗 复杂水合氢氧化物 硫酸洗涤并稀释，调节Ph值 Zr5O8(SO4)2 XH2O 煅烧ZrO2粉料,三、高纯超细氧化锆粉料的制备 高纯超细四方氧化锆制备方法很多：共沉淀法、醇盐水解法、水热法、溶胶-凝胶法,1. Ph值 2. 稳定剂 Y2O3晶型稳定剂，可得到部分稳定氧化锆和完全稳定氧化锆。通常3% (mo

9、l) Y2O3可得到部分稳定氧化锆。,全部(部分)稳定化氧化锆 加入百分之几到十几的CaO、MgO、Y2O3、CeO等金属氧化物作稳定剂,预防晶型转变体积变化而开裂,以维持氧化锆高温立方相，这种立方固溶体的氧化锆称为全部(部分)稳定化氧化锆。 添加剂含量与氧化锆晶型（12% mol) 复合添加剂、单一添加剂,部分稳定剂ZrO2的二元相图,四、ZrO2陶瓷增韧机理： 陶瓷材料结构决定其缺乏象金属那样在受力状态下发生滑 移，引起塑性变形能力。一般情况下，陶瓷材料的相变将引起内 应力，从而对材料带来破坏性影响，因此尽量避免，但有时利用 它提高陶瓷材料的断裂韧性和强度。 四方-ZrO2单斜-ZrO2

10、马氏体相变（一级相变） 1. 马氏体相变 仅能在固态转变中发生，具有成核和生长两过程，无扩散 型相变，特点： 1） 没有成分变化，新旧相之间保持一定的位相关系，原子 间有位移变化，因此相变具有无热、无扩散、相变激活能小，速 度快等特点。因此为吸收断裂能和材料增韧提供了条件。,2）有体积变化 3）相变具有可逆行，相变不是在固定温度下完成，而 是在一个温度范围内进行 4）马氏体内往往存在亚结构,2. ZrO2陶瓷增韧机制 应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、裂纹分支增韧、裂纹弯曲和偏转增韧、相变产生表面压应力增韧、残余应力韧化、复合韧化。 1）应力诱导相变增韧 ZrO2颗粒弥散在其它陶瓷基体中，由于两者

11、具有不同的热膨胀系数，冷却过程中， ZrO2的相变受到抑制，当材料受到外应力作用，基体对ZrO2的压抑作用得到松弛， ZrO2颗粒将发生四方相向单斜相转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果，即ZrO2相变增韧。 ZrO2颗粒尺寸、四方相含量密切相关,应力诱导相变增韧裂纹扩展、尖端应力场、过程区、相变、断裂表面及体积膨胀均吸收能量、压应力阻碍裂纹扩展。,2）微裂纹增韧 部分稳定ZrO2陶瓷在由四方相相向单斜相转变，相变出现了体积膨胀而导致产生微裂纹。同时，裂纹在扩展过程中在其尖端区域又形成应力又将诱发相变导致微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用，从而提高

12、了断裂能，称为微裂纹增韧。,裂纹分支增韧,微裂纹增韧的机理：四方氧化锆向单斜氧化锆转变引起体积膨胀，同时诱发了弹性应变能或激发产生微裂纹，阻碍了主裂纹的扩展或释放其能量，达到韧性提高强度目的。 控制氧化锆弥散粒子相变过程的几个因素： A 氧化锆的颗粒尺寸 B 氧化锆颗粒分布状态 C 氧化锆的体积分数及均匀的分散性 D 基体与氧化锆热膨胀系数匹配 E 控制氧化锆基弥散粒子的化学性质,3）由相变产生表面压应力增韧,五、氧化锆陶瓷性能与用途 1.性能 1）熔点：2715 2）密度大，硬度高 3）机械性能好，抗弯强度和断裂韧性高,2. 用途 1）绝热内燃机材料：汽车内衬、活塞顶、凸轮等 2）高温绝热材

13、料 3）耐火材料及冶炼坩埚 4）导电材料 5）隔热涂层 采用等离子喷涂技术，在高温合金涡轮叶片上，提高发动机工作温度50 200,六、ZrO2增韧陶瓷的种类 ZTC：Zirconia Toughening Ceramics 1、PSZ: Partially Stabilized Zirconia (Mg-PSZ, Ca-PSZ, Y-PSZ, 如8mol% MgO- ZrO2) 2、FSZ: Fully Stabilized Zirconia (18mol%CaO- ZrO2) 3、TZP: Tetragonal Zirconia Polycrystals (2.5 3.0mol%Y2O3-ZrO2) 4、ZTA: Zirconia Toughening Aluminia 5、ZTM: Zirconia Toughening Mullite 6、其他：包括ZrO2增韧氮化硅、尖晶石、氧化锌等,氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA） 1. 工艺 1）ZrO2颗粒细小，分布 要窄； 2）ZrO2、Al2O3复合粉 料均匀分散； 3）成型 4） 烧成 2. 性能,氧化锆增韧莫来石陶瓷（ZTM）