高性能结构陶瓷与复合材料1(董绍明)

Al2O3基板
人造关节
电路基板
透光、透波性应用
高压钠灯、新型节能灯具金卤灯
氧化锆陶瓷
氧化锆陶瓷是近年来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（如断裂韧性高于氧化铝 陶瓷），因而越来越受到人们的重视。
氧化锆立方、四方和单斜的晶体结构
氧化锆陶瓷性能与应用
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：
硬度高，耐磨性好 可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。 具有离子导电特性 可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头、还可 做气敏元件
氧化锆陶瓷性能与应用
氮化硅（ Si3N4 ）陶瓷
氮化硅是由[SiN4]四面体共用顶角构成的三维空间网络。
氮化硅陶瓷的制备工艺
氮化硅粉末的制备 （1）硅粉直接氮化法 （2）SiO2还原氮化法
（3）硅亚氨热分解法（液相法）
（4）化学气相沉积法
经稀土元素掺杂后可应用于LED荧光材料
硅粉直接氮化法 用化学纯的硅粉(粒径<10μm、纯度至少在95%以上)，在NH3，N2+H2或 N2气氛中直接与氮反应实现：
蓝宝石
熔点高、抗腐蚀
耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等
氧 化 铝 陶 瓷 密 封 环
氧化铝陶瓷坩埚
氧化铝陶瓷转心球阀
结构功能一体化
离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等；
生物相容性：用于制作人工骨骼和人造关节等； 低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座。
焊料 Ni电镀层 Mo-Mn 中间层MnO· Al2O3
结构陶瓷的分类
根据化学组分不同，目前常用的先进结构陶瓷有：
1. 2. 氧化物：Al2O3、ZrO2、BeO、CaO、MgO、SiO2等Tm>2000℃ 碳化物：SiC、WC、HfC、NiC、TiC、B4C、ZrC等 金属碳化物的Tm最高，硬度大，脆性也大 3. 氮化物：Si3N4、BN、AlN、TiN、HfN等 氮化物常具有很高的硬度 4. 硼化物：HfB、ZrB2、WB、MoB等
Tm＞2000℃，硼化物具有较强的抗氧化能力
5. 硅化物：MoSi2、ZrSi等 高温下生成SiO2或硅酸盐保护层，抗氧化性强
氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分的陶瓷，它是氧化物中研究得最成熟，
而且应用最广泛，产量最大的结构陶瓷。 晶体结构 α-Al2O3：属三方晶系，2050℃熔化前稳定。 β-Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物。 γ-Al2O3：属尖晶石型结构（立方）。
碳化硅陶瓷性能和应用
碳化硅陶瓷的最大待点是高温强度高，其它陶瓷材料到 1200 － 1400℃时强度显著降低，而碳化硅陶瓷在1400℃时抗弯强度仍保持
500—600MPa的较高水平，工作温度可达1600～1700℃；
碳化硅陶瓷具有很高的热传导能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷； 碳化硅陶瓷还具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
构性能之外还具有很好的功能材料。这里就衍生出了结 构功能一体化的概念。
髙性能结构陶瓷的定义
结构陶瓷是指用于各种结构部件，具有力学和机械性能及部分热
学和化学功能的高技术陶瓷。 高性能结构陶瓷是强调以力学性能为主、承受负载的一大类先进
陶瓷，具有高强度、耐高温、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷等一系列优
异性能，可以在金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境 下发挥不可替代的作用，在能源、航天、航空、机械、汽车、冶 金、化工、电子、激光和生物医学等方面具有广阔的应用前景及 潜在的巨大经济和社会效益，受到发达国家的高度重视。 高性能结构陶瓷除了在常温和中低温场合应用之外，1000℃以上 应用的结构陶瓷材料常称为高温结构陶瓷。
高性能结构陶瓷的性能特征
材料科学与工程的四要素说明 材料的性能是由组成结构与制
备工艺决定的。
从晶体结构上来说，陶瓷材料 的结合力主要为离子键、共价
键或离子-共价混合键。正是这
些化学键的特点，如高的键能 和健强以及大的极性赋予了这 类材料高熔点、高强度、耐磨 损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化 等的基本属性。
喷嘴
作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的是氧化铝、碳化硅和碳化硼 陶瓷等。氧化铝陶瓷喷嘴的价格低，但由于硬度低，其耐磨性较差，
多用于喷砂工作量不大的场合。碳化硅陶瓷的使用寿命是氧化铝陶
瓷的３-５倍，与硬质合金相当，多用于硬质合金的替代品，特别是 在手持喷枪的工况中使用。
磁力泵泵件
随着工业化的发展，特别是ISO14000国际标准的贯彻执行，对 不利于环境保护液体的输运提出了更高的要求。磁力泵由于采用静 密封代替机械密封、填料密封等动密封，因而泄漏更小、可靠性更 高、使用寿命更长。
碳化硅陶瓷密封环
研磨介质
碳化硅陶瓷由于其高硬度的特点而广泛用于耐磨机械零件中， 特别是球磨机中的研磨介质（磨介）。球磨机中所用的磨介对研磨 效率有着重要的影响，其基本要求是硬度高、韧性好，以保证研磨 效率高、掺杂少的要求。
研磨粉
研磨球
防弹板
碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、价格较低，而广泛用于防弹装甲 中，如车辆、舰船的防护以及民用保险柜、运钞车的防护中。碳化 硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷，约为碳化硼陶瓷的70-80%，但 由于价格较低，特别适合用于用量大，且防护装甲不能过厚、过重 的场合。
后两种在温度高于1600℃时全部转化为α-Al2O3
a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。
α-Al2O3结构示意图
氧化铝陶瓷的性能、用途
高强度、耐冲刷、抗氧化、高温稳定
喷嘴，火箭、导弹的导流罩，纺织瓷、装饰瓷等
95瓷纺织件
氧化铝耐高温喷嘴
高硬度、高耐磨性
切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石
Si与 C 原子以共价键结合，所有结构均由 SiC 四面体堆积而成， 所不同的只是平行结合或者反平行结合 SiC 具有75 种晶型，每种同型异构体的C/ Si 双原子层的堆垛次 序不同
碳化硅陶瓷制备
生产工艺 工业生产主要用的方法为电弧炉法，每年约70万吨的产品都是用这一 方法生产的，作为原料的主要是石英沙和焦炭，其基本反应为： SiO2+3C→SiC+2CO↑ 1700℃～1900℃，生成SiO或SiCO 烧结
Si3N4轴承
碳化硼陶瓷
碳化硼的合成 2B2O3 + 7 C B4C + 6CO 4H3BO3 +7C B4C + 6H2O + 6CO 2B2O3 + Mg + C B4C + 6MgO B+C B4C 碳化硼的烧结技术 热压烧结 Hot pressing 产品性能好;形状尺寸限制,价格贵 高温等静压烧结 Hot Isostatic Pressing产品性能好,设备价格贵, 尺寸限制 无压烧结 Pressure-less sintering 产品性能一般,无形状尺寸限制, 价格低 无压烧结+高温等静压后处理 (新技术) Pressure-less sintering + Post-HIP 94-95% DT 98-99% DT
耐磨损、耐腐蚀、耐高温
髙性能结构陶瓷具有耐高温、耐磨削等特点，引起了高 速切削工具行业的关注。 结构陶瓷在许多苛刻介质（强酸、强碱）和环境中具有 比普通金属和合金更好的耐腐蚀性能。这是由于氧化物、 碳化物和氮化物等强离子键或共价键的化合物具有较高 的化学稳定性。
结构陶瓷概述
髙性能结构陶瓷分类
反应烧结
烧结时几乎没有收缩，能 得到复杂的形状
密度低，强度低，耐蚀 性差，有游离硅存在
热压烧结
无压烧结
用较少的助剂就能致密化， 只能制造简单形状，烧 强度、耐蚀性最好 结助剂使高温强度降低 致密性高、强度、耐蚀性 有烧成收缩 好，可以做成复杂形状、
氮化硅陶瓷的性能
氮化硅陶瓷强度高，韧性好，是最好的陶瓷材料之一。 氮化硅陶瓷有高的电阻率，高的介电常数，低的介质损耗，可用作电 路基片，高温绝缘体，电容器，雷达天线等。 氮化硅有优良的化学稳定性 氮化硅硬度高，摩擦系数低
3SiO 2 + 2N 2 6C Si 3 N 4 6CO
特点：
1300-1700 C
原料来源丰富
反应产物是疏松粉末，毋需粉碎处理，从而避免了杂质的重新引入 氮化硅粉末粒型规整，粒度分布窄、含量高 含碳和氧偏高，必须想办法除去多余的部分
氮化硅陶瓷的制备工艺 Si3N4陶瓷的制备方法主要有反应烧结法和热压烧结法。 烧结工艺 优点 缺点
高性能结构陶瓷脱胎于古老的传统陶瓷材料。
陶瓷的分类
从材料的用途上讲，先进陶瓷分为两大类：
高性能结构陶瓷和功能陶瓷 随着社会的不断进步，人们对材料的使用要求日益提高， 结构陶瓷除了承担一定载荷外，还需添加功能性，于是 开发了髙性能结构陶瓷的光、电、磁等性能及应用。
随着工艺与组成的设计的完善，髙性能结构陶瓷除了结
氧化锆油泵
氧化锆柱塞
氧化锆球阀
碳化硅陶瓷
SiC晶体结构是由Si-C四面 体组成的，通过键能很高的
共价键组合而成，具有金刚
石型结构。纯SiC是无色透 明的，工业SiC由于含有游 离碳、铁、硅等杂质而呈绿 色或黑色。 SiC轴承
碳化硅陶瓷
两种典型SiC晶型结构：
α-SiC：六方晶系，高温稳定型； β-SiC：等轴晶系，低温稳定型。
部分稳定氧化锆制品 部分稳定氧化锆的导热率低， 绝热性好；热膨胀系数接近发 动机中使用的金属材料，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。