第三章 结构陶瓷
结构陶瓷
按功能,材料分为结构材料和功能材料两大类。 按功能,材料分为结构材料和功能材料两大类。 结构材料 两大类 一种材料主要利用其力学功能时 一种材料主要利用其力学功能时,这种材料被称为 力学功能 结构材料。 结构材料。 如果主要利用其非力学性能时,则被称为功能材料。 如果主要利用其非力学性能时 则被称为功能材料。 非力学性能 力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等 力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等; 强度 而非力学性能主要指声 而非力学性能主要指声、电、光、磁、热和化学等。 热和化学等
3. 1. 2 氧 化 锆 陶 瓷
氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一种很 重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能 如它的断裂韧性高 重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能(如它的断裂韧性高 于氧化铝陶瓷),因而越来越受到人们的重视。 于氧化铝陶瓷 ,因而越来越受到人们的重视。 在自然界,含锆的矿石,主要有两种,即斜锆石 在自然界,含锆的矿石,主要有两种,即斜锆石(ZrO2)和 和 锆英石(ZrO2·SiO2)。工业氧化锆主要是由含锆矿石提炼出来的。 锆英石 。工业氧化锆主要是由含锆矿石提炼出来的。 高纯ZrO2为白色粉末,含有杂质时略带黄色或灰色。 为白色粉末,含有杂质时略带黄色或灰色。 高纯 ZrO
二、氧化铝粉末的制备
氧化铝在地壳中藏量丰富,约占地壳总质量的 氧化铝在地壳中藏量丰富,约占地壳总质量的25%,价 , 格低廉,性能优良。地壳中的 是以铝土矿的形式存在, 格低廉,性能优良。地壳中的Al2O3是以铝土矿的形式存在, 即一水铝石和三水铝石的形式存在,其中含有 即一水铝石和三水铝石的形式存在,其中含有SiO2、Fe2O3、 TiO2等杂质。 等杂质。 拜尔( 拜尔(Bayer)法 ) 是工业生产Al 是工业生产 2O3 的主要方法。 的主要方法。
大连理工大学 材料科学导论 第三章 结构材料答案
第三章结构材料一、填空题:1、碳的质量分数大于2.11% 的铁碳合金称之为铸铁,通常还含有较多的Si 、Mn、S 、P等元素。
2、优质碳素结构钢的钢号是以碳的平均万分数来表示的。
3、碳钢常规热处理有退火、正火、淬火、回火四种4、碳在铁碳合金中的存在形式有与铁的间隙固溶、化合态的渗碳体、游离态的石墨。
5、高分子材料分子量很大,是由许多相同的结构单元组成,并以共价键的形式重复连接而成。
6、塑料、橡胶、纤维被称为三大合成高分子材料。
7、高分子按结构单元的化学组成可分为碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子。
8、聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。
9、聚乙烯可分为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子质量聚乙烯、改性聚乙烯。
10、陶瓷材料的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷,其中导电性与点缺陷有直接关系。
11、陶瓷材料的塑性和韧性较低,这是陶瓷材料的最大弱点。
12、陶瓷材料热膨胀系数小,这是由晶体结构和化学键决定的。
13、由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质,经人工组合而成的多相固体材料叫做复合材料。
14、复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。
15、颗粒增韧的增韧机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧、和分叉增韧。
16、界面是复合材料中基体与增强材料之间发生相互作用和相互扩散而形成的结合面。
17、复合材料界面结合的类型有机械结合、溶解与侵润结合、反应结合、混合结合。
二、判断题:1、不锈钢中含碳量越低,则耐腐蚀性就越好。
(√)2、纯铝中含有Fe、Si等元素时会使其性能下降。
(√)3、正火是在保温一段时间后随炉冷却至室温的热处理工艺。
(×)4、受热后软化,冷却后又变硬,可重复循环的塑料称为热塑性塑料。
(√)5、聚乙烯从是目前产量最大,应用最广泛的品种。
(√)6、陶瓷材料在低温下热容小,在高温下热容大。
(√)7、陶瓷材料中位错密度很高。
(×)8、陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度,高温抗蠕变能力强。
《结构陶瓷ch》PPT课件
3.1 概述
• 非氧化陶瓷包括金属的碳化物陶瓷、氮化物、硅 化物和硼化物等陶瓷的总称。它们和氧化物陶瓷 的区别在于:
①非氧化物陶瓷一般为共价键结构,因此难熔、难 烧结;
②非氧化物陶瓷在自然界存在很少,需要人工合;
③非氧化物陶瓷的发展历史相对较短;
• 坯体在隔绝空气条件下用电炉在2400℃以上高温 下进行烧结,经“蒸发和凝聚”使SiC颗粒再结晶 而形成的一种高温结构陶瓷材料。
• 烧前和最终密度保持不变, 在晶体之间形成固态 SiC 结合(α- SiC结合类 ) 。
• 特点:纯度高、无中间结合相,良好的导电导热 和高温性能(≥1900℃ )。缺点:气孔率高(20 ℃ )、强度低。
14
液相烧结
• 加入一定数量的烧结助剂,在较低的温度下实现 SiC的致密化;
• 采用Y2O3、Al2O3为烧结助剂,选熔点较低的YAG (Y3Al5O12)为基本的配方组元,1850℃就可烧 成高性能SiC陶瓷。
2021/3/19
非氧化物陶瓷
15
再结晶SiC
• 将高纯度(≥99.5%)碳化硅粗粉和高活性碳化硅 微粉混合,注浆成型制成坯体密度很高的SiC 成 型件,
• 这种方法需要加入过量碳以确保SiO2的完全反应, 但反应在≥1550℃时生成SiC。残留的C在氮化后 600 ℃煅烧可排除。
2021/3/19
非氧化物陶瓷
40
起始原料SiO2和C →混合 →氮化烧成→脱碳处理→ Si3N4粉末
• 本工艺方法的特点:
– 高纯、超细原料SiO2和C 来源丰富,易于廉价获得; – 反应产物是疏松的粉末,无须像硅粉氮化那样经过粉碎处理,从而避免
结构陶瓷1(ZrO2)
问题:
1 完全稳定 2 稳定机理 3 溶胶-凝胶法 4 应力诱导
Thank you!
缺点:硬度和强度偏低
• 多种稳定剂的氧化锆陶瓷:
在Y-TZP中添加适量的CeO2,利用Ce-TZP 良好的抗低温水热腐蚀性能 ,可以有效抑制 低温老化现象。
另一方面,向Ce-TZP中加入少量Y2O3可提 高材料的烧结致密度、细化晶粒并提高其硬 度。
➢ 氧化锆增韧陶瓷
如果在不同陶瓷基体中加入一定量的 ZrO2 并使亚稳四方氧化锆多晶体均匀的弥散分布在 陶瓷基体中,利用氧化锆相变增韧机制使陶瓷 的韧性得到明显的改善。这种氧化锆相变增韧 陶瓷称为氧化锆(相变)增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics,ZTC)。
(+H2O) ZrOCl2 氯氧化锆凝固150-180 ℃ ,与SiCl4分离
冷却结晶/焙烧
ZrO2(粉体) + Cl2 或,ZrOCl2 + 2NH3 + 2H2O Zr(OH)4 + 2NH4Cl
热分解分馏Z法rO2超细粉 150-180℃ ZrCl4
3.2 共沉淀法:
此法由于设备工艺简单,生产成本低廉,且易 于获得纯度较高的纳米级超细粉体,因而被广
内容提要
• 前言 • ZrO2的结构与性能 • ZrO2粉体制备工艺
什么是氧化锆
氧化锆是所有形式二氧化锆的统称,是一种
耐高温、耐磨损、耐腐蚀无机非金属材料。
世界上已探明的锆资源约为 1900 万吨(以金属锆计),矿石品 种约有20种,主要含有如下几种化合物:
碳化物陶瓷材料
第三章碳化物陶瓷材料碳化物是一类耐高温陶瓷材料,通式为Me x C y,可以分为金属碳化物和非金属碳化物两大类。
根据碳化物的晶体结构特点分类,碳化物也可以分为两大类,一类是具有简单的碳化物结构,例如SiC、B4C、TiC、WC、VC及ZrC等;另一类具有较复杂的结构,例如Fe3C、Cr7C3及Cr3C6等。
前者稳定,具有高的硬度、强度、良好的耐磨特性及高温力学性能,所以其应用与开发较为广泛。
而后者稳定性差一些,熔点与硬度稍低,但是常作为钢铁材料中的强化相,并以各种复杂相而存在,例如(Fe, Mn)3C、(Fe, Cr)3C、(Fe, Cr)7C3、(Fe, W)6C及(Fe, Mo)6C等[1]。
碳化物高温结构陶瓷材料通常是指SiC、B4C、TiC、WC、ZrC及其复合材料。
碳化物陶瓷材料的主要特性之一是具有高熔点,例如TiC的熔点为3460℃、WC的熔点为2720℃、ZrC的熔点为3540℃。
碳化物陶瓷材料均具有较高的硬度,例如碳化硼在室温下是仅次于金刚石和立方氮化硼的最硬材料,显微硬度可以达到48.5 GPa,碳化钛的显微硬度为31.4 GPa,碳化硅的显微硬度为29.4 GPa。
碳化物陶瓷材料也具有良好的导电性、导热性及化学稳定性。
大多数碳化物陶瓷材料在常温下不与酸反应,少数碳化物陶瓷材料即使加热也不与酸起反应,最稳定的碳化物陶瓷材料甚至不会受到硝酸与氢氟酸混合酸的腐蚀。
因此,碳化物陶瓷材料可以作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料,在国民经济中获得了广泛应用,是极为重要的高技术陶瓷材料之一。
3.1 碳化硅陶瓷材料碳化硅(SiC)俗称金刚砂,又称碳硅石,是一种典型的共价键结合化合物,自然界几乎不存在。
SiC的最初应用是由于其超硬性能,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。
第二次世界大战中又发现它还可以作为炼钢时的还原剂以及加热元件,从而促进了SiC的快速发展。
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
二、陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
玻璃幕 墙 导电玻 璃
2、按使用的原材料分类
可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷以天然的岩石、 矿石、黏土等材料作原 料。 特种陶瓷采用人工合成 的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构 陶瓷和功能陶瓷两类。
玻璃相结构特点:硅氧四面体组成不规则的空间 网, 形成玻璃的骨架。 玻璃相成分:氧化硅和其它氧化物
(三)、气相
气相是陶瓷内部残留的孔洞;成因复杂,影 响因素多。 陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷 和多孔陶瓷。 气孔对陶瓷的性能不利(多孔陶瓷除外) 气孔率:普通陶瓷5%~10% 特种陶瓷5%以下 金属陶瓷低于0.5%。
(2) 硅酸盐化合物的几种类型
按照连接方式划分,硅酸盐化合物可以分为以下几 种类型: ①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐(岛状结构单元)
其单元体(SiO44-) 互相独立,不发生相 互连接。 化学组成一般可以表 示为2RO· 2。 SiO 其中RO表示金属氧化 物如MgO、CaO、 FeO等。 具有这类结构的有橄 榄石和石榴石等。
AX化合物的特征是:A和X原子或离子 是高度有序的,属于这类结构的有: (1)CsCl型 (2)NaCl型 (3) ZnS闪锌矿型 (4)纤维锌矿型
(以下分别介绍)
(1)CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子(或离 子)位于8个X原子的中心,X原子(或离子) 也处于8个A原子的中心。但应该注意的是, 这种结构并不是体心立方的。确切的说,它 是简单立方的,它相当于把简单立方的A原 子和X原子晶格相对平移a/2,到达彼此的 中心位置而形成。
(人教版)高中化学选修1 第三章 第三节 玻璃、陶瓷和水泥练习 (含答案)
第三节玻璃、陶瓷和水泥常见硅酸盐产品的比较aCO3SiO21.为什么碱性试剂如NaOH溶液、Na2CO3溶液不能用带玻璃塞的试剂瓶存放?提示:因为碱性试剂能与玻璃塞的主要成分SiO2反应:2NaOH+SiO2===Na2SiO3+H2O,Na2SiO3具有黏合性,将瓶塞和试剂瓶黏结在一起。
2.玻璃为什么可以被人工吹制成形状不同的制品?提示:普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔化在一起所得到的物质。
这种物质不是晶体,称作玻璃态物质。
玻璃没有一定的熔点,而是在某个温度范围内逐渐软化,在软化状态时,可以被吹制成任何形状的制品。
3.水泥在储存和运输过程中应注意什么?提示:由于水泥具有很强的吸水能力,能吸收空气中的水分并与之发生化学反应,故储存和运输水泥的过程中要注意防水、防潮。
►综合拓展一、几种玻璃的特性和用途二、水泥1.石膏的作用:调节水泥硬化时间。
2.用途。
(1)制成水泥砂浆:水泥、沙子和水的混合物。
(2)制混凝土:水泥、沙子和碎石的混合物。
3.水泥易被酸腐蚀。
由于水泥的主要成分是硅酸盐和铝酸盐,水泥中还含有少量的碳酸盐,所以水泥和水泥制品易被酸(如HCl、HNO3、H2SO4、CH3COOH等)腐蚀。
因此,水泥制品也要防止酸的腐蚀。
4.水泥的质量指标:我国的三个强度等级(42.5、52.5和62.5)表示常用硅酸盐水泥的性能。
等级越高,水泥的性能越好。
►尝试应用1.在面盆、痰盂等铁制品表面烧制搪瓷的目的是(A)A.防止铁生锈且美观B.增大厚度防止磨损C.增大硬度防止撞坏D.美观和杀菌消毒作用解析:在脸盆等铁制品表面烧制搪瓷,能够隔绝空气和水,不但能防止铁生锈,而且美观,A项正确;在茶缸和脸盆等铁制品表面烧制搪瓷的目的不是为了增大硬度,不能防止磨损,也不能杀菌消毒,B、C、D三项错误。
玻璃和陶瓷的新发展1.光导纤维:简称光纤。
(1)成分:SiO2(石英玻璃)。
(2)用途:制作光缆,还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控和照明等方面。
陶瓷材料的性能特点
第八章陶瓷材料第1节陶瓷材料概述第4讲陶瓷材料的性能特点先进陶瓷分类(按其性能和功能)结构陶瓷:作为工程结构材料使用的陶瓷功能陶瓷:具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷力学性能特点1硬度高510152025几种典型陶瓷材料的维氏硬度与不锈钢材料的对比图维氏硬度/G P a结构陶瓷的力学性能陶瓷材料硬度高→陶瓷材料耐磨性好→陶瓷材料可以制作刀具50100150200250300350400450几种典型陶瓷材料的弹性模量与不锈钢材料的对比图弹性模量/G P a力学性能特点2高弹性模量陶瓷材料高弹性模量陶瓷材料硬度弹性模量熔点变化规律具有一致性是其主晶相结合键能高低的外在反映弹性模量高→零件/构件的刚度好氧化铝机械加工精度高加工前加工中加工后不锈钢加工过程后发生挠曲变形,精度无法保证金属材料与陶瓷材料的应力-应变曲线(示意图)应力应变陶瓷金属力学性能特点3无塑性变形,断裂强度低陶瓷材料室温下拉伸时没有塑性变形→脆断人们常说的陶瓷强度,主要指它的断裂强度陶瓷材料的实际断裂强度和理论断裂强度对比材料理论值/MPa实测值/MPa理论/实测强度比值Al2O3(蓝宝石)4900063077.0Si3N4(热压)3770098038.5SiC(热压)4800093051.5 Si3N4(反应烧结)37700290130.5奥氏体型钢200003240 6.4陶瓷材料的实际断裂强度比理论强度低很多陶瓷材料实际断裂强度低的原因•存在不规则形状的气孔,相当于裂纹•内部组织结构复杂、和不均匀性2004006008001000120014001600几种典型陶瓷材料的抗弯强度抗弯强度/M P a陶瓷材料的强度,一般采用抗弯强度(弯曲强度)和抗压强度(压缩强度)表示采用三点弯曲测试抗弯强度示意图力学性能特点4低抗压强度高,抗弯强度低几种典型陶瓷材料的抗压强度抗压强度/M P a碳钢铸铁高速钢氧化铝(A479)单晶蓝宝石(SA100)金属陶瓷(TC30)01000200030004000•陶瓷材料抗压强度高,为抗拉强度的10~40倍•陶瓷材料承受压应力的能力大大超过拉应力的能力抗压强度测试示意图•陶瓷材料抗压强度比金属(碳钢)高力学性能特点5冲击韧性、断裂韧性低陶瓷材料是脆性材料冲击韧性~10kJ/m2几种材料的断裂韧性材料K IC/MPa∙m1/2不锈钢(SUS304)21045钢90球墨铸铁20~40氮化硅陶瓷 3.5~5氧化锆7-8氧化铝(99%)3-4K IC约为金属的1/60~1/100物理与化学性能1 较低的密度12345678密度/g ∙c m -3几种典型陶瓷材料的密度与钢的对比图2 熔点高一般在2000℃以上,陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属3化学稳定性高•抗氧化性优良,在1000℃高温下不会氧化•对酸、碱、盐有良好的抗蚀性4 热胀系数小24681012141618几种典型陶瓷材料的热膨胀系数与钢的对比图膨胀系数X 10-6/K40~400℃•随气孔率增加,陶瓷的热胀系数、热导率降低•多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料20406080100120140160几种典型陶瓷材料的热导率与钢的对比图导热率W /m ∙K5 热导率受材质和气孔影响大6具有特殊性能光学,电学,声学和磁学性能结构陶瓷→功能陶瓷高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震、耐腐蚀、抗氧化密度小弹性模量大陶瓷材料性能优势脆性大,韧性差,难加工安全可靠性低陶瓷材料性能短板避免服役过程中工况:冲击载荷、大的拉应力分析服役环境,取长补短可发挥优势工况条件:高温、高压、强腐蚀、强磨损。
第三章 第三节 玻璃、陶瓷和水泥
6.特种玻璃 种类 石英玻璃或 硼酸盐玻璃 制作方法 提高SiO2的 含量,或加 入 B2O3 性能和用途 提高化学稳定性,降低热膨胀系 数,使其更耐高温和抗化学腐蚀, 可用于制造高级的化学反应容器。 折光率高,可用来制造眼镜片、
光学玻璃
加入
PbO
照相机、望远镜和显微镜中的透
镜等。
种类
制作方法 加入
B.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料 C.新型无机非金属材料包括半导体材料、光导纤维、氧 化铝陶瓷等 D.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,也属于高温 结构材料
[例4]
)
[名师解析]
[答案] A
硅酸盐材料属于传统非金属材料。A项错误。
[名师点睛]
材料一般分为三类:金属材料、无机
非金属材料和高分子材料。其中无机非金属材料又分为 传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。而玻璃、 陶瓷、水泥是传统无机非金属材料。
解析:钢化玻璃的机械强度比普通玻璃大,抗震裂、不易 破碎,碎块没有尖锐的棱角,不易伤人,常用于制造汽车 或火车的车窗等;提高SiO2的含量或加入B2O3能提高玻璃 的化学稳定性和降低它的热膨胀系数,从而使其更耐高温
和抗化学腐蚀,可用于制造高级的化学反应容器;加入
PbO后制得的光学玻璃折光率高,可用来制造光学仪器。 答案:a d b c
范围内软化
玻璃窑
高温条件下发生复杂的物理变化、化学变化,冷却后成为
硅酸盐改写成氧化物形式的方法 硅酸盐种类繁多,结构复杂,但硅酸盐可以看成碱性 氧化物和酸性氧化物所组成复杂化合物。因此,可以改写 为aMxOy· bSiO2· cH2O的方式。 (1)氧化物书写顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧
化物→二氧化硅→水。
先进陶瓷材料
PPT学习交流
7
中国瓷器精美绝伦,作为中华文明的象征,征服了西方(17世 纪)。
据考证,系统向西方介绍中国瓷器的原料、配方和制作技术的 是一个叫殷弘绪的法国传教士,他在清康熙年间来到中国,并在景 德镇居住了7年,通过与当地瓷工的接触了解造瓷技术,1712年9月1 日他在发往欧洲的一封信中,详细介绍了中国的造瓷术,1716年这 封信被刊登在欧洲“专家”杂志上。1717年他又将中国的瓷土(高 岭土)寄往欧洲。此后,寻找高岭土,仿制中国瓷器的热潮席卷欧 洲,1750年法、英相继找到瓷土,1768年制出瓷器,与此前后丹麦、 西班牙也先后做出瓷器。
陶瓷材料与宇航1陶瓷材料与空间技术航天飞机机身上的防热瓦加工航天飞机的机身是用铝合金制成的机身表面的70覆盖着约3万块的隔热瓦这种隔热瓦材料是用直径为15微米的二氧化硅纤维在1316的高温下与胶体二氧化硅烧结而成的然后切割成1520厘米的正方形其厚度为1315厘米根据不同的绝热要求厚度也有差异
第三章 先进陶瓷材料
滑石与叶蜡石有相同的晶体结构,其化学式为:3Al2O3.4SiO2.H2O,在瓷
中加入少量的滑石可以提高其透明度和白度,并增加瓷中玻璃相的含量, 提高致密度,扩大烧结范围。
PPT学习交流
12
⑥ 二氧化硅原料 二氧化硅原料一般为石英,纯的石英透明,称为水晶。石英之间存在 结晶形态的转化,如下:
⑦ 溶剂原料 在陶瓷工业中为了降低烧结物的温度而加入的原料,重要有以下两种:
16
3. 加压成型法 将粒料和粉料加压变形而固结成型,它粉压法和干压法。
4. 等静压成型法 等静压成型法与干压成型法相似,它是在模行各个面都施加均匀的压力。它的 主要特点是模具具有弹性,运用模具可以均匀的传递压力的特点对其施压。
结构陶瓷材料
优良的化学稳定性
耐磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、 氟化物、硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。
与人体亲和性好
用作人工骨头、人工关节等生物植入体。
绝缘性能好
体电阻率为1.5x1015 Ω·m,电绝缘强度为15KV/mm。 用作绝缘瓷(装置瓷)、集成电路基片等。
氧化铝陶瓷产品
❖ 氧化铝结晶构造
氧化铝有多种结晶态,到目前为止,已确定的氧化铝结晶 态有α、κ、θ、χ、η、γ、ρ、β 等。β -Al2O3不是纯的氧化铝, 而是Al2O3 与碱金属氧化物或碱土金属氧化物间的化合物,但 习惯上仍视为氧化铝的一种。 α、 β 、γ晶型为氧化铝的三种 主要晶型。
在所有温度下,α-Al2O3是热力学上稳定的Al2O3晶型。氧 化铝的其他多种同素异构体在高温下将几乎全部转化为αAl2O3 。
生物化工陶瓷
利用耐腐蚀特性以及与生物酶接触化学稳定性好等特性, 如冶炼冶炼有色金属及稀有金属用坩埚、热交换器、生物陶 瓷等。
核陶瓷及其他
利用其特有的俘获和吸收中子特性可作为各种核反应堆 的结构材料使用;与日常生活相关的如陶瓷刀、无磁调试工 具、高尔夫球杆等。
按组分分类
氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷
结构陶瓷的主要应用领域
结构陶瓷的主要应用领域-续表
3.1 结构陶瓷的分类
通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类:
使用领域
机械陶瓷 热机陶瓷 生物化工陶瓷 核陶瓷及其他
机械陶瓷
主要利用其高硬度、高耐磨特性,如机械零件、轴承、 密封件、切削刀具材料、模具等。
热机陶瓷
又称发动机用陶瓷,主要利用其耐热、耐磨损及高强、 高韧特性,如车用耐磨轻量陶瓷部件、隔热、耐热部件、燃 气轮机叶片等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
与马氏体相变形核类似,m相形核为自促发形核。 图1-20
ZrO2 的t-m相变还可以以等温方式进行。
ZrO2陶瓷制备及应用
ZrO2可单独烧成ZrO2陶瓷(TZP陶瓷),也可作为强 化相加入到其他陶瓷基体中(ZTA陶瓷)。
ZrO2陶瓷的制备方法有注浆成型或干压成型。 根ZrO2陶瓷的特点, ZrO2陶瓷可用于: (a)陶瓷轴承 (b)氧传感器
BeO有剧毒(有粉尘和蒸汽引起),烧结BeO无毒。
BeO陶瓷的应用 1)BeO陶瓷能抵抗碱性物质的侵蚀,可用作熔炼 稀有金属和高纯金属的坩埚。
2)利用高温比体积电阻大的性质可用作高温绝缘材 料 3)利用其良好的导热性,可用作散热器 4)利用核性能,可用作原子反应堆中子减速剂和防 辐射材料。
3.1.5 莫来石(3Al2O3· 2SiO2)陶瓷
3.1.3 MgO陶瓷
1. MgO原料的制备
MgO的制备程序:
沉淀剂 煅烧 热处理
矿物或海水------氢氧化镁或碳酸镁------氧化镁----或化学处理
---------高纯氧化镁
氧化镁的煅烧分解过程分为以下三个阶段
第一阶段:200~300℃开始分解,放出气体
第二阶段: 500~600℃,分解激烈,800 ℃分解基本
一是添加第二相强化相来提高Al2O3的强度和韧 性
就提高烧结性能而言,氧化物添加剂归纳起来 可以分为两类: 一类是与Al2O3形成固溶体,这一类添加剂促进 烧结烧结有以下规律: 第一、和Al2O3形成有限固溶体的添加剂比形成 连续固溶体的作用大
第二、可变价添加剂比不可变价添加剂作用大
第三、离子电价高的添加剂作用大
耐酸性能良好,耐碱性能相对较差。
ZrO2的t-m相变
由于ZrO2的t-m相 变有体积膨胀产 生,因此可以用 膨胀法研究其 相变。
T-m转变的影响因素
ZrO2中随稳定剂含量的增加,Ms点降低,残余t 相增加 晶粒尺寸也影响Ms点(界面能作用的结果),对 于室温组织,只有大于临界晶粒尺寸的才能发生 m-t转变。
2.MgO陶瓷的制备
(1)配料
为了促进烧结,同时减少水化倾向,可加入一些 添加剂,如:TiO2、Al2O3、V2O5等。如制备高 纯的MgO陶瓷,则需采用活化烧结的方法来促进 烧结(将氢氧化镁在适当温度煅烧增加MgO的晶 格缺陷)。
(2)坯料的预处理
MgO化学活性强,易溶于酸,水化能力大,为 降低MgO的活性,应预烧到1100~1300℃(超过 1300 ℃ 对水化能力影响不大),研磨时需要用陶 瓷材料,不能用钢球,研磨时需要用干法研磨。
完成,这时MgO结晶不完整 第三阶段:800 ℃以上,MgO结晶逐渐长大并完整。 如果要得到活性较大的MgO,煅烧温度在1000 ℃ 以上,一般煅烧温度在1400 ℃以上。
表3-2为不同方法制备的氧化镁性能,
从上表可以看出,由氢氧化镁制备的氧化镁体积 密度最大,因此在实际应用中想得到高纯度、高 密度的MgO制品,通常将MgO用蒸馏水水化成氢 氧化镁,再在1050~1800℃煅烧成MgO,并磨细。
3.2.1 碳化硅陶瓷
1.碳化硅的晶体结构
SiC是以共介健为主的共价化合物,由于碳与 硅两元素在形成SiC晶体时,SiC原子中S→P电子 的迁移导致能量稳定的SP3杂化排列,从而形成 具有金刚石结构的SiC。
碳化硅晶体的基本单元是四面体。所有SiC均由 SiC四面体堆积而成,所不同的只是平行结合或反 平行结合。 图3-7
预烧质量还与预烧温度有关,预烧温度偏低不能 完全转化为Al2O3,且电性能降,若预烧温度过高, 粉料发生烧结,不易粉碎且活性降低。
(3)烧结
工程实际应用的Al2O3陶瓷一般Al2O3含量在 75%~99.9%之间,通常习惯以配料中Al2O3含量 来分类,如Al2O3含量在75%左右的称“75瓷”, 含量在85%左右的称“85瓷”,含量在99%左右 的称“99瓷”.
4.莫来石的性质与用途
莫来石成针状结晶,晶粒之间相互交叉较少滑 移,机械强度较高,高温荷重下变形小。
热膨胀系数小,抗热冲击性能好。 耐热性不如氧化铝 莫来石可制造热电偶保护管、电绝缘管、高温 炉衬
3.2 碳化物结构陶瓷
碳化物陶瓷的突出特点是高熔点、高硬度,并 且具有良好的导电和导热性能,但高温下易氧化, 主要碳化物有SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、HfC、 TaC等。
第三章 结构陶瓷
3.1 氧化物结构陶瓷
3.1.1 Al2O3结构陶瓷 1. Al2O3晶体结构
Al2O3陶瓷是以α- Al2O3(75%~99%)为主晶相 的陶瓷材料,其同素异构体有十多种,常用的有 α- Al2O3、β-Al2O3 、γ-Al2O3 三种。Al2O3的晶体 结构不同,性能也不同。
天然的莫来石较少存在,莫来石陶瓷可由Al2O3 和SiO2(或石英)的混合物通过高温反应制得。 一般是将Al2O3和SiO2混合,在2000℃以下温度, 在电弧炉中合成电熔莫来石。
1.莫来石陶瓷的配方
莫来石陶瓷一般不以分子比配方,一般Al2O3需 过量,同时加入一些添加剂降低烧成温度。
2.莫来石的生成 (1)一次莫来石的生成
(3)成型 成型方法有干压法、注浆法、热压铸(注)法、 热压法 水化 煅烧 研磨、无水乙醇 注浆法:MgO----Mg(OH)2------MgO--------悬浮浆料----注浆成型 (4)烧成 1250℃素烧,再在刚玉瓷匣钵在1750~1800℃ 温度保温2h烧结。
3.MgO陶瓷的性能及应用
依配料中Al2O3的含量分为75瓷、85瓷、95瓷、 99瓷。
(a) γ-Al2O3
γ型氧化铝是氢氧化铝在140-150℃的低温环境下 脱水制得,工业上也叫活性氧化铝、铝胶.其结 构中氧离子近似为立方面心紧密堆积,Al3+不规 则地分布在由氧离子围成的八面体和四面体空隙
之中.
γ-Al2O3密度小,高温不稳定,可转化为α- Al2O3, 密度随加热温度升高而发生变化。工业Al2O3中γAl2O3占绝大多数,在自然界γ-Al2O3不存在。
(2)预烧
Al2O3具有同素异构体,晶型转变会引起体积 变化,预烧可以减少烧结过程中坯体的收缩。
预烧可以除去原料中的Na2O,提高原料的纯度。 预烧的方法不同、添加剂及气氛不同,效果也 不同,预烧的质量也不同。 表3-1
预烧常用的添加剂为H3BO3、NH4F、AlF等,加 入量一般为0.3%~3%。
3Al2O3 2SiO2 3Al2O3 2SiO2
生成二次莫来石是生产莫来石陶瓷的关键,影响 二次莫来石生产的因素为:
①原料的种类 ②外加剂 价数相同的离子,随离子半径的降低,矿化作 用高,有利于二次莫来石的生成,对于离子半径 相同的离子,随价数的降低,矿化作用提高,有 利于二次莫来石的生成。 矿化剂:能促进或控制陶瓷结晶化合物的形成 或反应而加入配料中的物质。
一次莫来石由高岭石矿物分解生成。
偏高岭石高温热处理按 下式分解:
℃ 3 Al2 O3 2SiO2 1200 3 Al2 O3 2SiO2 4SiO2
硅线石在高温热处理按 下式分解: 3 Al2 O3 SiO2 3 Al2 O3 2SiO2 SiO2
颗粒直径在10~20μm时才具有良好的成型和烧 结性能
BeO陶瓷的成型
可采用注浆成型、模压成型,为了提高坯体的 致密度,也可采用等静压成型和热压烧结。
BeO陶瓷的烧成
BeO陶瓷采用活化烧结:Be(OH)2在 1000~1200℃的H2气氛中预烧分解得到活性BeO.
表3-4. 在烧成时,坯体不宜与炉衬材料和火焰直接接 触。
3.1.4 BeO陶瓷
1.BeO陶瓷的制造 BeO陶瓷烧结的影响因素 陶瓷的烧成温度较高,需要加入适当的添加剂 降低烧结温度,如Al2O3、MgO、CaO等,但杂 质对BeO陶瓷的导热系数等性能有很大的影响, 因此BeO陶瓷组成中的BeO的含量应在95%以上。
(a)添加剂
(b)BeO颗粒尺寸
传统陶瓷不需要加塑化剂(坯料中含有可塑粘土成分)。 特种陶瓷所用的都是化工原料,这些原料没有可塑性, 因此从成型的角度考虑需要添加适量的有机塑化剂(有 利于烧结过程顺利排出)。 常用塑化剂有PVA(聚乙烯醇)、PVB(聚乙烯醇缩丁 醛)、CMC(羧甲基纤维素)、EC(乙基纤维素) 对于热压、等静压烧结,可以不加塑化剂。
2.BeO陶瓷的性能与应用
BeO陶瓷的性能
BeO的熔点为2750±30℃,密度为3.02g/cm3,莫氏硬 度为9,高温下蒸汽压和蒸发速度低,在真空(1500 ℃)和惰性气氛下(1800 ℃)可长期使用。在氧化 气氛中1800 ℃有明显挥发,有水蒸气时,1500 ℃即 大量挥发(形成氢氧化铍)。 BeO陶瓷与金属有相近的导热系数,热膨胀系数 不大,具有良好的高温电绝缘性能,介电常数高,介 电损耗小。
3. Al2O3陶瓷的制备工艺
因要求的使用性能、制品的形状尺寸等因素不同, 从而导致Al2O3陶瓷的配方、成型、烧结方法等工 艺不相同,但大体上要经过以下几个主要工序: 图3-3.
(1)原料配方 原料的配方(各组分的含量)首先要考虑材料的使用 性能,其次还要考虑到原料的成型性、烧结性、工艺复 杂性及经济性等因素。
另一类添加剂是生成液态相
添加第二相强化相来提高Al2O3的强度和韧性主要
有以下三类
(1)颗粒弥散强韧化
(2)ZrO2相变强韧化
(3)晶须强韧化
5.应用
3.1.2 ZrO2陶瓷