第五章陶瓷材料(共6学时)(彩色版)

5.3 工程陶瓷材料
5.3.2 碳化物
密度/ Mg/m3 2.51 3.1 4.94 15.7 14.5
5.3 工程陶瓷材料
5.3.2 碳化物 碳化物的性能
碳化物 B4C SiC TiC WC TaC 熔点/ °C 2450 2972 3017 2800 3800 3.0 韧性/ （MPa •m1/2） 模量/ GPa 445 410 拉伸 强度/ MPa 155 300 导热 系数/ W/m•K 28 83.6 硬度/ kg/mm2 29003100 2800 2500 20502150 1750
Bowed crack front
增韧机理(c) Incorporation of metallic particles makes it possible for a crack to run around
Primary crack front
Direction of propagation
增韧机理(d) Whisker reinforcement involving debonding, deflection, and bridging Debonds (around whisker) Crack tip SiC Matrix crack Whisker
% PR =
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度与孔隙率
例5－1：碳化硅的理论密度ρ＝3.2Mg/m3。有一碳化硅制 品干重量为 360g ，浸饱水的重量为 385g ，水中重量为 224g ，求其表观密度，表观孔隙率，真实孔隙率及闭孔 的体积分数。 WD＝360，WS＝385，WL＝224，dL＝1
Graphite holder
Cold surface
Fibrous preform
cooled Infiltrated Reactant Water surface composite gases
HO HO HO
HOH O O H
OH OH OH
O OH OH H HOO H O H
Si(OH)4
重复
涂层 表面涂复 固化 热解 陶瓷涂层
非挥发粘合剂 与陶瓷粉混合 模压 固化 热解/烧结 密实陶瓷
5.3 工程陶瓷材料
热解 密实材料
再浸渍
5.3 工程陶瓷材料
5.3.1 氧化物
性质 化学成分 熔点/°C 热胀系数/ (10−6/°C） 导热系数/ (W/cm•K) 杨氏模量/ GPa 挠曲强度/ MPa 氧化铝 Al2O3 2015 8.3 0.27 366 550
CERAMIC
材料导论
第五章 陶瓷材料
Greek: keramikos Burnt stuff
陶瓷的应用
5.1 陶瓷的性质
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度与孔隙率
表观体积：实际体积与材料内、外孔隙体积的总和 真实体积：实际体积与内孔体积之和 表观孔隙率：内、外孔总共占有的体积百分数 真实孔隙率：内孔所占的体积百分数
碳碳共 间隙碳化物 碳碳碳 碳碳碳 离子碳化物 共共碳碳共 碳碳碳 碳碳碳
5.3 工程陶瓷材料
5.3. 氮化物 氮化物的性能
氧氮化硅 (Si2N2O) 275-280 450-480 2.90 4.3 8-10 氮化铝 （AlN） 260-350 235-370 3.20 4.4-5.7 50-170
σrr σθθ
σf =
EGc πa
1/ 2
σ(πa)1/2=(EGc)1/2
定义强度因子：K=σ(πa)1/2 断裂韧性：Kc =(EGc)1/2
ap > α
Crack propagation
增韧机理
增韧机理(b) Crack bowing between dispersoid particles
产生裂缝体系得到Biblioteka Baidu量： 4aγ a>>b 产生裂缝体系的能量判据：
−
2 a πσ 0
E
+ 4γ > 0
1/ 2
4 Eγ 临界点： σ 0 = σ f = πa
5.4 陶瓷的增韧
以Gc代替4γ来代表总的断裂功
5.4.1 陶瓷基复合材料 (a) Residual stress state around the dispersoid has a higher thermal expansion than the matrix (left), resulting in crack deflection (right)
S2 S2 W S1 B S1 B
5.1 陶瓷的性质
5.1.4 抗热冲击性
TSI＝
W
σ ×k α×E
σ － 拉伸强度 k －导热系数 α －线性热胀系数 E －弹性模量（杨氏模量）
(a)单缺口试样(b) Chevron试样
5.1 陶瓷的性质
5.1.4 抗热冲击性
一些材料的抗热冲击性质
材料 熔融 SiO2 A12O3 石墨 钠玻璃 σ (MPa) 68 204 8.7 69 k (W/cm x°C) 6 ×10−2 3 ×10 1.4 2 ×10−2
表观孔隙率：% PA =
真实孔隙率： % PR =
闭孔的所占百分数应为真实孔隙率减去表观孔隙率： 30－15.5=14.5。闭孔在孔体积中的分数为14.5/30=0.483
3.2 − 2.24 dR − d A ×100 = ×100 = 30% 3.2 dR
400
5.1.2 磨损阻力
磨损寿命因子
350 300
B
A A
化学反应 A＋B AB
(b)
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2.4.3 反应烧结法 例 碳化硅＋碳粉 碳纤维织物＋硅熔体 硅蒸汽 硅熔体 SiC/Si复合材料
Preform Reinforcement
5.2.4.4 定向氧化法
Growth barrier Oxygen atmosphere
六方氮 化硼 (平行于 晶片) 六方氮 化硼 (垂直于 晶片)
5.4
金属陶瓷
硅铝氧氮 杨氏模量/GPa 挠曲强度/MPa 理论密度/% 热胀系数/ (10−6/K） 导热系数/ （W/m•K） 300 750-950 3.0-3.7 15-22
立方氮 化硼 150 高 3.48 ---
100 低 2.27 2-6 20
SiC纤维/Si复合材料
Molten alloy
composite
Reinforced ceramic composite
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
定向氧化法材料的性能
5.2.4.4 定向氧化法：外形复制
温度/°C 21 1200 1300 1400
5.1.1 密度与孔隙率
VR = dR =
WD − WL dL WD WD ⋅ d L = VR WD − WL
dR − dA ×100% dR
表观体积： 表观密度： 表观孔隙率：
VA =
WS − WL dL WD WD ⋅ d L dA = = V A WL − WS
% PA = WS − WD ×100% WS − WL
硅凝胶的形成过程 － －Si－OR ＋ H2O － － － －Si－OH ＋ ROH － － － －
5.2.4.2 化学蒸汽渗透法(CVI)
－ －
－ －
－ －
－ －
－Si－OR ＋ HO －Si－ －Si－OH ＋ HO－Si－ － －
－Si－O －Si－ ＋ ROH －Si－O－Si－ ＋ H2O － －
5.2陶瓷材料的加工
5.2.3 热压：陶瓷热压装置
5.2 陶瓷材料的加工
5.2.3 热压
热压与冷压烧结Si3N4的性能比较
材料 热压 烧结 热压 烧结 热压 烧结 Si3N4 Si3N4 Si3N4 Si3N4 Si3N4 Si3N4 烧结助剂 5% MgO 5% MgO 1% MgO BeSiN2 + SiO2 13% Y2O3 6% Y2O3 密度/ (%, 理论) >98 ~90 >99 >99 >99 -98 室温 断裂模量 /MPa 587 483 952 560 897 587 1350°C 断裂模量 /MPa 173 138 414 669 414
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2.4.1 溶胶凝胶法 陶瓷粉末 粘合剂 分散剂 水
催化剂 引发剂
OH OH O OH OH H
胶体粒子间的凝聚
HO HO O H
混合机
淤浆
注入模具
HOO H O H
OH－
OH－
HO HO O H O OH OH H
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度与孔隙率
阿基米德定律： 一个物体在液体中所受浮力为该物体所排开液体的重量 称三个重量： 1. 干燥重量WD 2. 孔隙中充满液体后的重量WS 3. 在液体中且充满液体后的重量WL
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度 真实体积： 真实密度： 真实孔隙率：
5.1 陶瓷的性质
四点挠曲强度/MPa 461 488 400 340
Chevron 缺口韧性/MPa•m1/2 27.8 23.3 19.2 15.6
5.2.4.5聚合物前驱体法
硅树脂，如聚硅苯乙烯、乙烯基聚硅烷、聚硅氨烷、聚羰基硅烷等
聚合物前驱体 纤维 纺丝 固化 热解 织物/型坯 复合材料 预浸料 模具成型 固化
HO HO HO HO O H
OH OH OH
5.2陶瓷材料的加工
例： 碳化硅纤维＋铝粉 氧
5.2.4 化学加工法
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2.4.2 化学蒸汽渗透法
5.2.4.3 反应烧结法
烧结熔合
氧化铝/碳化硅复合材料 (a) 碳化硅/碳化硅复合材料 A A A A
AB
反应熔体渗透法 碳化硅纤维＋碳纤维 熔硅
O OH OH H
O OH OH H
O OH OH H
HO HO HO
烧结
烧掉粘合剂
窑炉
干燥
凝胶化
5.2陶瓷材料的加工
5.2.4 化学加工法
5.2陶瓷材料的加工
Heating element Perforated lid Hot surface Hot zone Exhaust gas
5.2.4 化学加工法
5.4 陶瓷的增韧
5.4 陶瓷的增韧
σ0 σ 2b 2a σ0 σ 释放能量的面积：πa2 单位面积的应变能：
5.4 陶瓷的增韧
2 2 ∂ πσ 0 a − + 4aγ >0 ∂a 2 E
1 1 1 2 σ 0ε = σ 0σ 0 / E = σ 0 /E 2 2 2
20 低 2.27 1-2 33
STRUCTURAL APPLICATIONS
Mineral processing equipment Machine tools (Cutting tools) Wear components(Pump and Valve) Heat exchangers Automotive products Aerospace components Medical products
极限强度 屈服 塑性形变
5.1.3断裂韧性
断裂
10
ALANX CG89 碳化硅 不锈钢 硬镍 钨铬钴合金 96%氧化铝 铸铁 聚氨酯
15
20
25
应力 MPa
250 金属 200 150 100 50 0 脆性断裂 弹性区 陶瓷
5.1 陶瓷的性质
5
10 15 应变%
20
25
5.1 陶瓷的性质
5.1.3 断裂韧性
5.3 工程陶瓷材料
5.3.1 氧化物 氧化物的性能
铝红柱石 3Al2O3•2SiO2 1830 4.5-5.3 0.059 150-270 500 尖晶石 MgO•Al2O3 2135 7.6-8.8 0.15 240-260 110-245 堇青石 2MgO•2Al2O3 •5SiO2 1470 1.4-2.6 -139-150 120-245 氧化铝/氧化锆 20.0wt% Al2O3 75.7 wt% ZrO2 4.2 wt% Y2O3 -9 0.035 260 2400
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度与孔隙率
解：WD ＝ 360，WS ＝ 385，WL ＝ 224，dL＝1。
表观密度： d A =
WD 360 = = 2.24 WL − WS 385 − 224
385 − 360 WS − WD ×100 = ×100 = 15.5% 385 − 224 WS − WL
−1
α (°C−1× 10−6) 0.6 5.4 3.8 9.2
E (GPa) 72 344 7.7 68
TSI (W/cm) 94 33 416 2.1
5.2 陶瓷的加工
5.2 陶瓷材料的加工
5.2.2 冷压与烧结 烧结过程
5.2 陶瓷材料的加工
5.2.2 冷压与烧结 型坯的均匀压制(a)干法(b)湿法