《材料学导论》2 陶瓷 谭劲.ppt
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1、2019/6/30,1,化学成分分析,2019/6/30,2,物相成分分析,2019/6/30,3,2019/6/30,4,第二章 无机非金属材料,2019/6/30,5,无机非金属材料概论 陶瓷材料(普通陶瓷、特种陶瓷) 玻璃材料 胶凝材料,本章主要内容,2019/6/30,6,1、什么是无机非金属材料?,无机非金属材料:主要是指由一种或多种金属元素同一种非金属元素(如O, S , C, N等,通常为O)所形成的化合物,多为金属氧化物和金属非氧化物。 也可以认为 金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称无机非金属材料。,2019/6/30,7,无机非金属材料(又一种表述)指某些元素的氧化物
2、、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。 无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。 其中陶瓷一词,随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现,其概念的外延也不断扩大。广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。,2019/6/30,8,无机非金属材料的名目繁多,用途各异,目前尚没有统一而完善的分类方法。 通常把它们分为传统(普通)无机非金属材料和新型(特种)无机非金属材料两大类。,如何分类?,难!,普通陶瓷特种陶瓷 普通玻璃特种玻璃 普通水泥特种水泥 ,2019/6/30
3、,9,主要特性,熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。,一般为脆性材料,2019/6/30,10,2、陶瓷材料,2.1 陶瓷的概念 陶瓷(ceramics)是以非金属矿物或化工产品为原料,经原料处理、成型、烧成等工序制成的产品。 2. 2 陶瓷的分类 早期,陶瓷是陶器与瓷器的总称。 瓷器的坯体致密,基本上不吸水,有一定的半透明性,通常施釉,敲之声音清脆。 陶器通常有一定吸水率,断面粗糙无光,不透明,敲之声音粗哑,有的无釉,有的施釉。,2019/6/30,11,古代各种陶制品,2019/6/30,12,各 种 瓷 器,2019/6/30,13,传统的陶
4、瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土类及其它天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧成等过程而得的器皿。这类陶瓷可称为传统(普通)陶瓷。 随着生产和科学技术的发展,对陶瓷制品的性能与应用提出了新的要求,因而制成了许多新品种,它们的生产过程虽然还是原料处理、成型、烧成等这种传统的方式,但采用的原料已扩大到高度精选的天然原料或人工合成原料,使用高度可控的生产工艺,因而往往具有一些特殊的性能,相对于传统陶瓷,这类陶瓷制品称为新型(特种)陶瓷。,2019/6/30,14,2019/6/30,15,2019/6/30,16,2.3 陶瓷材料的化学键及显微结构,陶瓷材料的化学键 陶瓷材料是以离子键(如MgO、Al2O
5、3)、共价键(如Si3N4、BN)以及离子共价混合键( SiO2)结合在一起。 金属氧化物主要是离子键结合。由于离子键没有方向性,只要求正负离子相间排列并尽量紧密堆积,因而离子晶体的密度较高,键强度也较高。这类材料强度高、硬度高,但脆性大。离子晶体固态绝缘,熔融后可导电。,2019/6/30,17,共价键具有方向性与饱和性,这就决定了共价晶体中原子的堆积密度较小。共价晶体键强度较高,且具有稳定的结构,故这类材料熔点高、硬度高、脆性大,热膨胀系数小。 虽然陶瓷材料的键性主要为离子键和共价键,但实际上许多陶瓷的结合键是混合键结合,既有离子性,又有共价性。,2019/6/30,18,陶瓷材料的显微结
6、构 陶瓷材料的显微结构通常由三种不同的相组成,晶相、玻璃相和气相。 晶相:陶瓷材料中最主要的组成相,晶相一般由原料带入或玻璃相析晶而成。晶相分为主晶相和次晶相。主晶相是构成材料的主体,其性质、数量及结合状态,直接决定材料的基本性质。,2019/6/30,19,玻璃相:是一种低熔点的非晶态固体,是材料在高温烧成过程中,由于化学反应或熔融冷却形成的。通常,其机械强度要比晶相低一些,抗冲击强度要高一些,在较低温度下开始软化。 玻璃相的作用, 充填晶粒间隙,粘结晶粒,提高陶瓷材料的致密程度; 降低烧成温度,改善工艺; 抑制晶粒长大。,2019/6/30,20,气相(气孔):大部分气孔是在工艺过程中形成
7、并保留下来的,有的气孔则通过特殊的工艺方法获得。气孔含量在090之间变化,陶瓷的许多电性能和热性能都随气孔率、气孔尺寸及分布的不同在很大范围内变化。,2019/6/30,21,2019/6/30,22,2019/6/30,23,2.4 陶瓷材料的性能,2.4.1 机械性能 (1)弹性模量 陶瓷材料具有牢固的离子键和共价键,其弹性模量比金属材料的弹性模量大得多,大约在103104MPa之间甚至更高。 陶瓷材料的弹性模量除了与结合键有关外,还与组成相的种类、分布、比例及气孔率的大小有关。,2019/6/30,24,(2)强度 陶瓷材料在理论上具有很高的断裂强度,但实际断裂强度往往比金属材料低得多。
8、 抗压强度比抗拉强度大得多,其差别程度大大超过金属。 气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有很大影响。 陶瓷材料耐热冲击性较差,严重限制了陶瓷材料在急冷急热条件下的使用。 晶粒愈小,强度愈高。,2019/6/30,25,(3)塑性与韧性 陶瓷材料最突出的弱点是很低的塑性与韧性。只有极少数具有简单晶体结构的陶瓷材料在室温下具有塑性。如MgO、KCl、KBr等。一般的陶瓷材料在室温下塑性为零。这是因为大多数陶瓷材料晶体结构复杂,滑移系统少,位错生成能高,而且位错的可动性差,通常呈现典型的脆性断裂。 (4)硬度 陶瓷、矿物材料常用莫氏硬度和维氏硬度来衡量材料抵抗破坏的能力。莫氏硬度是以陶瓷、矿物之间相互刻划
9、能否产生划痕来确定,只能表示材料硬度的相对大小。一般陶瓷的硬度较大。,2019/6/30,26,2.4.2 热性能 (1)热容 陶瓷材料的摩尔热容对结构变化不敏感,但单位体积的热容却与气孔率有关,由于多孔材料质量轻,所以单位体积热容小。因此,多孔轻质耐火砖的温度上升所需的热量远低于致密的耐火砖。 (2)热膨胀 陶瓷材料的线膨胀系数约为(10-510-7)/。陶瓷的线膨胀系数一般低于高聚物和金属。,2019/6/30,27,(3)导热性 陶瓷的热传导主要依靠于原子的热振动。由于没有自由电子的传热作用,陶瓷的导热性比金属小。陶瓷多为较好的绝热材料。 (4)热稳定性 热稳定性就是抗热震性,是指材料承
10、受温度的急剧变化或在一定温度范围内冷热交替而不致破坏的能力。陶瓷的热稳定性很低,比金属低得多。这是陶瓷的一个主要缺点。,2019/6/30,28,2.4.3 电性能 (1)电导率 陶瓷材料在一般情况下没有自由活动的电子,电阻率比较低,绝大部分陶瓷都是良好的绝缘体。 随着科学技术的发展,某些陶瓷材料的半导性和导电性已被人们发现,随之制成各种半导体陶瓷及导电陶瓷。,2019/6/30,29,(2)介电常数 大部分离子晶体的介电常数为=512,但有少数晶体的介电常数很高。 如金红石(TiO2)晶体的=110114,钙钛矿(CaTiO3)晶体的=150。这类晶体的晶体结构比较独特,在外电场作用下,由于
11、离子之间的相互作用,引起了极其强大的内电场。在此内电场作用下,离子的电子壳层发生强烈变形,离子本身也发生强烈的位移,使材料具有很高的介电常数。,2019/6/30,30,(3)介电损耗 当电介质在电场作用下,单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率或简称为介质损耗,用损耗角正切tan表示。 介质损耗是所有应用于交流电场中电介质的重要指标之一。介质损耗不但消耗了电能,而且由于温度上升可能影响元器件的正常工作;介质损耗严重时,甚至会引起介质的过热而破坏绝缘性质。,2019/6/30,31,漏导损耗:因电导而引起的介质损耗为漏导损耗。 极化损耗:一切介质在电场中均会呈现出极化现象。除电子、离
12、子弹性位移极化基本上不消耗能量外,其它缓慢极化(如松驰极化)在极化的缓慢建立过程中都会因克服阻力而引起能量损耗,这种损耗一般称为极化损耗。 陶瓷材料是由晶相、玻璃相、气相组成,其能量损耗主要来源于漏导损耗、松驰质点的极化损耗及结构损耗。 在结构紧密的离子晶体中,极化损耗很小,一般是由漏导引起。以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合,如刚玉瓷、滑石瓷等。,2019/6/30,32,(4)绝缘强度 电介质能绝缘和储存电荷,是指在一定的电压范围内,即在相对弱电场范围内,介质保持介电状态。当电场强度超过某一临界值时,介质由介电状态变为导电状态,这种现象称介质的击穿。 陶瓷材料的击穿强度一般为460
13、kV/mm。,2019/6/30,33,2.4.4 光学性能 随着遥感、计算机、激光、光纤通讯、自动化等技术的发展和“透明陶瓷”的出现,陶瓷材料在光学领域有了较重要的应用。光学材料的性质一般指材料对各种光和射线的反射、透射、折射和吸收等性质。对陶瓷材料,主要是指其透光性。 为了提高陶瓷的透光性,一般使用高纯原料,加入抑制晶粒长大的掺杂剂,采用适当的工艺排气孔制备细晶的透明陶瓷材料。,2019/6/30,34,2.4.5 化学稳定性 陶瓷的结构非常稳定。在以离子晶体为主的陶瓷中,金属原子为氧原子所包围,被屏蔽在其紧排列的间隙之中,很难再同介质中的氧发生作用,甚至在千度以上的高温下也是如此,所以具
14、有很高的耐火性能或不可燃性,是很好的耐火材料。 另外,陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力,与许多金属的熔体也不发生作用,所以也是很好的坩埚材料。,2019/6/30,35,3、 普通陶瓷,3.1 普通陶瓷的生产过程 普通陶瓷又称传统陶瓷,是以天然存在的矿物为主要原料的陶瓷制品。 其生产工艺流程如下:,2019/6/30,36, 石英 石英具有耐热、抗蚀、高硬度等性质,在普通陶瓷中,石英构成了陶瓷制品的骨架,赋予制品耐热、耐蚀等特性。 石英的粘性很低,属非可塑性原料,无法做成制品的形状,为了使其具有成型性,需掺入粘土。 可塑性:在陶瓷工业中,可塑性是指泥料在外力作用下能被塑造成
15、各种形状,在外力除去后,仍能保持这种形状的性能。,(1)原料精选 普通陶瓷中必不可少的三组分是石英、粘土和长石。,2019/6/30,37, 粘土 粘土是一种含水铝硅酸盐矿物,层状结构,主要化学成分为SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有独特的可塑性与结合性,调水后成为软泥,能塑造成型,烧后变得致密坚硬。 长石 长石是一族矿物的总称,为架状硅酸盐结构。长石在高温下为有粘性的熔融液体,并润湿粉体,作为助熔剂能溶解一部分粘土及部分石英,促进成瓷反应的进行,并降低烧成温度。,上述三组份,石英骨架成分、 粘土提供可塑性、长石为助熔剂,2019/6/30,38,(2) 坯料制备
16、陶瓷原料经过配料和加工后成为坯料,根据陶瓷制品的性质以及制品所用的成型方法,制成可塑料、注浆料和压制粉料。,2019/6/30,39,(3)成型 半干法成型(815的水):利用外部机械压力,使具有一定可塑性的泥料压缩并形成具有一定尺寸、形状和强度的坯体的成型方法。 注浆成型(40左右的水):将制备好的泥浆注入多孔性模型内,泥浆在贴近模壁处的一层被模子吸去水分,形成一均匀的泥层,并随时间延长而逐渐加厚,达到一定厚度后,倒出多余泥浆,泥层继续脱水并与模型脱离,最后按模型形状形成坯体。,2019/6/30,40, 可塑成型法(20%左右的水):将预制好的坯料投入挤泥机中,挤成泥条,然后切割,按所需制
17、成荒坯,再用手工或压机压制,使坯体具有规定的形状和尺寸。,2019/6/30,41,(4)生坯的干燥 使含水物料(如湿坯、原料、泥浆等)中的液体水汽化而排除水分的过程,称为干燥。成型后的各种坯体还呈可塑状态,在运输和再加工过程中很容易变形或破损。 为提高成型后坯体的强度,还要进行干燥,以除去一部分水分,使坯体失去可塑性。经过干燥的坯体,也可以在烧成初期经受快速升温,从而缩短烧成周期,提高窑炉的周转率,节约能耗。,2019/6/30,42,(5)烧成 经过成型及干燥过程后,生坯中颗粒之间只有很小的附着力,因而强度相当低。要使颗粒相互结合使坯体形成较高的强度,只有在无液相或有液相的烧结温度下才能实
18、现。 目的:是去除坯体内所含溶剂、粘结剂、增塑剂等,并减少坯体中的气孔,增强颗粒间的结合强度,并产生玻璃和莫来石等新的物相。,2019/6/30,43,2019/6/30,44,2019/6/30,45,4、 特种陶瓷,特种陶瓷是指相对于普通陶瓷而言,新发展起来的陶瓷,主要包括以耐高温、高耐磨、耐腐蚀为特征的结构陶瓷,如轴承陶瓷;以及进行能量和信号转换的功能陶瓷,如压电陶瓷。 特种陶瓷与普通陶瓷的区别: (1) 在原材料方面 普通陶瓷以天然矿物如粘土、石英和长石等为主要原料;而特种陶瓷则使用经人工合成的高质量的粉体作为主要材料。,2019/6/30,46,(2) 在结构方面 普通陶瓷材料由于化
19、学和相组成的复杂多样,杂质成份和杂质相众多而不易控制,显微结构粗劣而不够均匀,多气孔; 特种陶瓷则一般化学和相组成较简单明晰,纯度高,即使是复相材料,也是人为调控设计添加的,所以特种陶瓷材料的显微结构一般均匀而细密。 (3) 制备工艺方面 普通陶瓷用的矿物经混合可直接用于湿法成型,材料的烧结温度较低,烧成后一般不需加工; 而特种陶瓷用高纯度粉体一般添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型,材料的烧结温度较高,烧成后一般尚需加工。,2019/6/30,47,(4)在性能和用途方面 特种陶瓷不仅后者在性能上远优于传统陶瓷,而且特种陶瓷材料还发掘出普通陶瓷材料所没有的性能和用途。 普通陶瓷材料一般限
20、于日用和建筑使用; 特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能,从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面得到广泛的应用。,2019/6/30,48,2019/6/30,49,特种陶瓷的主要制备工艺是粉末制备,成型和烧结。其工艺流程图如下:,4.1 特种陶瓷的制备工艺,2019/6/30,50,4.1.1 粉体制备方法 特种陶瓷的原料具有下述特点:纯度高;颗粒细小;只加入很少甚至完全不加入助熔剂与提高可塑性的添加剂;采用原料是人工合成的粉末原料。 目前制取特种陶瓷用粉体原料的方法有粉碎法和合成法两类。合成法包括固相法、液相法和气相法。 (1)粉碎法 机械磨细是制取粉末原料最传统的方法。,2019/
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