《结构陶瓷材料》PPT课件.ppt

1、第四章 无机非金属材料,第一节 陶瓷概述 第二节 普通陶瓷材料 第三节 结构陶瓷材料 第四节 功能陶瓷材料 第五节 无机建筑材料,结构陶瓷材料,结构陶瓷的生产工艺特点 氧化铝陶瓷的生产工艺、性能特点及应用 氧化锆陶瓷的性能特点及应用（相变增韧原理） 耐火材料的性能特点及应用,结构陶瓷的生产工艺,特种陶瓷：结构陶瓷 & 功能陶瓷 特种陶瓷的特点：原料：高纯化工原料和合成矿物烧结：真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段性质：特殊的性质和功能,特种陶瓷的生产工艺,粉末制备要求：纯度高，粒度小方法：固相法 气相法 液相法 机械法 溶剂蒸发法,特种陶瓷的成形特点,粉末预处理：预烧、粉碎、分级、净化

2、等 成形方法：普通陶瓷的成形方法冷等静压成形注射成形爆炸成形,特种陶瓷的烧结特点,特种陶瓷的烧结一般是在容量较小的高温炉中进行的，其烧成温度很高，须精确控制，有时需在保护气氛中进行。 烧结方法常压烧结：氧化物陶瓷气氛烧结：非氧化物陶瓷热压烧结：共价键非氧化物陶瓷热等静压烧结反应烧结：非氧化物陶瓷（SiC, Si3N4)电火花烧结：碳化物、氮化物、金刚石制品自扩散高温合成,氧化物陶瓷氧化铝（Al2O3）陶瓷,成分：以Al2O3为主要成分（45wt%）， 含有少量的SiO2，-Al2O3（刚玉）为主晶相 Al2O3有多种结晶形态：-Al2O3：简单六方点阵，氧离子的密排六方结构，结构最紧密，活性低

3、，高温稳定，存在于自然界中（天然刚玉、红宝石、蓝宝石等）-Al2O3：质量分数很高的多铝酸盐矿物，MeO6Al2O3和M2O11Al2O3，具有明显的离子导电和松弛极化现象，介质损耗大，电绝缘性不好，在自然界不存在-Al2O3：属尖晶石结构，高温不稳定，机电性能差，在自然界不存在,尖晶石结构,AB2O4型化合物中最重要的一种结构，具有尖晶石结构的化合物有100多种，其中A可以是Mg2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Zn2+, Cd2+, Ni2+等二价金属离子，B可以是Al3+, Cr3+, Fe3+, Co3+等三价金属离子。其结构特点是，O2-离子为立方密排，A和B离子则填充在O

4、2-离子间隙中 典型的尖晶石MgAl2O4（MgOAl2O3）结构，具有面心立方点阵的特点,尖晶石结构,Mg2+离子形成金刚石结构 在每个四面体间隙中有4个密堆的氧离子，形成四面体（或连成小立方体），其中心即为四面体间隙的中心，且各四面体（或小立方体）的位向都相同 在中心没有Mg2+离子的氧离子小立方体的其余4个顶点上分布有Al3+离子Mg2+: Al3+: 44=16O2-:48=32,AB2O4型,尖晶石结构,MgAl2O4（MgOAl2O3）,氧化铝（Al2O3）陶瓷,Al2O3的质量分数较高的瓷坯中，主要晶相是刚玉（ -Al2O3 ），随着SiO2的质量分数的增加，还出现了莫来石晶相及

5、玻璃相 分类：根据Al2O3含量的不同分为：75瓷（75% Al2O3），又称刚玉-莫来石瓷；95瓷（95% Al2O3）和99瓷（99% Al2O3）。后两者又称刚玉瓷,氧化铝（Al2O3）陶瓷,氧化铝陶瓷中Al2O3的含量越高，玻璃相越少，气孔也越少，其性能也越好，因此刚玉瓷的性能最佳，但工艺复杂，成本高 性能特点：,强度高 氧化铝瓷强度比普通瓷高23倍，有的甚至高56倍 硬度高 莫氏硬度为9，有很好的耐磨性 熔点高，抗腐蚀 含Al2O3高的刚玉瓷有高的蠕变抗力，能在1600高温下长期工作 优良的化学稳定性 耐腐蚀性好 电绝缘性好 优良的光学特性,氧化铝（Al2O3）陶瓷,应用： 内燃机火

6、花塞；火箭导弹的导流罩； 用于制造耐磨零件，如轴承，纺织机上的导纱器等； 用于冶炼金属的坩埚；合成纤维喷嘴，和各种切削刀具等 用于制造钠蒸汽灯管、微波整流罩红窗口、激光振荡器原件等,氧化铝粉末制备,生产氧化铝陶瓷的原料有两种：工业氧化铝 和 电熔刚玉 工业氧化铝碱法处理NaOH或Na2CO3处理铝矾土，煅烧Al(OH)3白色松散的结晶粉末，颗粒是由许多粒径小于0.1m的-Al2O3晶体组成的多孔球形聚集体 电熔刚玉（人造刚玉） -Al2O3 ，质量分数高达99%,氧化铝陶瓷工艺特点以用工业氧化铝粉末生产刚玉瓷为例,预烧减少烧成收缩，保证产品性能，提高原料纯度 细磨采用钢球将原料磨洗，以利于烧结

7、致密 酸洗盐酸与铁生成FeCl2或FeCl3而溶解，可以用水洗达到除铁的目的,氧化铝陶瓷工艺特点,刚玉瓷生产的关键： 化学组成要合适，没有或很少有害的物质 在尽可能低的温度、玻璃相很少的情况下，烧结致密 全部转变为-Al2O3 相，要求晶粒细小而分布均匀 人工配比（氧化铝+添加剂）一是与Al2O3 能够生成固溶体的，增加刚玉晶体缺陷，活化晶格，促进烧结；但是，因为晶格中缺陷较多，会增加电导和松弛化，降低材料的电阻率及提高了介质损耗，对陶瓷的电气性能不利TiO2, Cr2O3, Fe2O3, Mn2O3等二是能生成液相的，可以大大降低烧结温度，促进烧结过程，减少气孔率，提高致密度，对陶瓷的力学、

8、电气性能有利；但是也像不利于材料的高温强度高岭土（Al2(OH)4/Si2O5），硼镁石（2MgOB2O3H2O），SiO2, MgO, CaO, SrO, BaO, MgF2, BaF2等,氧化铝陶瓷工艺特点,氧化铝与添加剂混合均匀 成形干压、挤制、注浆、热压法等等 烧结烧成制度起决定性的作用： 温度和保温时间的选择气氛对烧结有显著影响 对烧结的作用：Ar, H2, NH3, O2, N2, 空气 对晶粒长大的作用：NH3, H2, O2, N2, 空气, Ar,氧化铝陶瓷,氧化锆（ZrO2）陶瓷,氧化锆有三种晶型,氧化锆陶瓷,单斜ZrO2加热到1200C转变为四方ZrO2，转变速度很快，并

9、伴随7%9%体积收缩。但在冷却过程中，四方ZrO2不在1200C而在1000C转变为单斜ZrO2。这种滞后现象在多晶体转变中是经常可以观察到的。,氧化锆（ZrO2）陶瓷,可逆转变伴随的体积效应导致ZrO2陶瓷烧成时容易开裂 生产上采取的稳定措施加入适量的稳定剂（CaO, MgO, Y2O3等），在1500C以上四方ZrO2会与加入氧化物形成立方晶型固溶体，冷却后仍能保持这种结构，没有体积效应，避免制品开裂经过稳定化处理的ZrO2称为稳定化立方ZrO2,氧化锆（ZrO2）陶瓷,对部分稳定化的ZrO2材料，加热到高温变为四方ZrO2+立方ZrO2，冷却时发生四方ZrO2向单斜ZrO2的转变，使Zr

10、O2陶瓷韧性大为增加，这就是相变增韧陶瓷。,陶瓷的相变增韧原理,相变增韧原理是未稳定的ZrO2弥散分布在陶瓷基体中，由于两者具有不同的热膨胀系数，在烧结后的冷却过程中， ZrO2粒子受到基体的压应力时，四方ZrO2转变为单斜ZrO2受到抑制，当ZrO2粒子十分小时，其转变温度可降到室温以下（即室温下为四方ZrO2）。当材料受到外力时，基体对ZrO2粒子压力减小，抑制作用松弛，四方ZrO2转变为单斜ZrO2，体积膨胀，引起基体产生微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果。,氧化锆（ZrO2）陶瓷,理想的高温绝热材料氧化锆陶瓷的熔点在2700以上，使用温度为20002200，热导率小，能抗熔融金属的侵蚀。 用氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPam1/2，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍。 应用：可代替金属