第五章陶瓷材料(共6学时)(彩色版)

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
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 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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
5.1 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
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 － －
5.1.1 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
% 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
产生裂缝体系得到能量： 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)
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
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
−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