陶瓷分类及用途分析.pdf

陶瓷分类及用途 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。金 属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。工程陶瓷的性能： 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。一、陶瓷材料 的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。可 以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。（可通过热处理改善材料 的力学性能） 陶瓷的分类 玻璃工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 陶瓷普 通陶瓷 -日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔 ,特种陶瓷 -电容器，压 电，磁性，电光，高温,金属陶瓷 -结构陶瓷， 工具（硬质合金） ， 耐热，电工, 玻璃陶瓷耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶 瓷, 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷 （粘土， 石英， 长石等天然材料）特种陶瓷 （人工的化学或化工原料- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形（可塑成形， 注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结 3. 陶瓷的性能 (1)硬度 是各类材料中最高的。 （高聚物 20HV ，淬火钢500-800HV ，陶瓷1000-5000HV ） (2)刚度 是各类材 料中最高的（塑料 1380MN/m2 ，钢 207000MN/m2) (3) 强度 理论强度很高（E/10-E/5 ） ；由 于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。 （E/1000-E/100 ） 。耐压（抗压强度高） ，抗弯（抗弯强度高） ，不耐拉（抗拉强度很低， 比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 (4) 塑性： 在室温几乎没有塑性。 (5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。 (6) 热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（ =10-210-5w/m K） (7) 热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受 的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220） (8) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐） (9) 导 电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO ，Fe3O4 等） (10)其它：不可燃 烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。 普通陶瓷 一. 传统陶瓷原料 长石，石英，粘土，高龄土，绢云母，滑石，石灰。 加入（ MgO ，ZnO，BaO，Cr2O3 等）提高强度；加入（Al2O3 ，ZrO2 等）提高强度 和热稳定性； 加入（ SiC 等）提高导热性。 1. 日用陶瓷 性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性用途：日用器皿，工 艺品艺术品等 2. 建筑陶瓷 性能要求：强度，热稳定性 用途：地面，墙壁，管道，卫生洁具等. 3. 电工陶瓷（高压瓷） 性能要求：强度，介电性能和热稳定性. 用途：隔电，支持及连接，绝缘器件 4. 化 工陶瓷 性能要求：耐蚀性. 用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。特种陶瓷 1.氧化物陶瓷： Al2O3 高的强度和高温强度（抗压2493MN/m2) ，高化学稳定性和介电性能 ? 以 Al2O3 为主要成分，含少量SiO2 的陶瓷。 ? 根据 Al2O3 含量不同， 分为 75 瓷（Al2O3 含量为 75%）又称刚玉 -莫来石瓷； 95 瓷、 99 瓷，又称刚玉瓷。 ? Al2O3 含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈 高。 优势：氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的26 倍，抗拉强度可达250MPa； ? 耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5； ? 耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600下长期工作，在空气中的最高使用温度达 1980； ? 耐蚀性和绝缘性好； ? 脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。 用途：工具，高温炉零件，空压机泵零件，内燃机火花塞，坩埚。 微晶刚玉 （弯曲强度5000MN/m2 ，HRA92-93 红硬性 1200）-工具 ,刀具。 BeO 导热性好（ 180 kcal/m·h·） ，热稳定性较高，消散高能辐射的能力强，强度低（抗压强 度（ 785MN/m2 ） 用途： 熔化某些纯金属的坩埚，真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷ZrO2 呈弱酸性 或惰性，导热系数小1.5-1.7kcal/m·h·，使用温度2000-2200，抗压强度2060MN/m2 MgO CaO 抗各种金属碱性渣的作用，热稳定性差，MgO 高温易挥发， CaO 在空气 中易水化 2.碳化物陶瓷： 碳化硅 弯曲强度200-250MN/m2 ，抗压强度1000-1500MN/m2 ，硬度高，抗氧化， 不抗强碱。 ? 主晶相 SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷； ? 高温强度高， 工作温度可达1600 1700 1400时，抗弯强度为500600MPa ；?有 很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射； ? 是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电 偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。 用途：加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料 碳化硼硬度高，抗磨，熔点高 2450 用途：磨料，超硬质工具材料。 3. 氮化物陶瓷： 氮化硼石墨类型六方结构（白石墨）-介电体和耐火润滑剂。 立方结构（ -BN)- 极高硬度，抗加热温度2000，是金刚石的代用品。 ? 主晶相 BN ，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称； ? 良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多， 故抗热振性和热稳定性好； ? 高温绝缘性好， 2000仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料；? 化学稳定 性高，能抗Fe、Al 、Ni 等熔融金属的侵蚀；? 硬度较其它陶瓷低，可切削加工；? 有自润 滑性，耐磨性好。 用途： 氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容 器和 管道，高温轴承，下班制品成型模，高温绝缘材料； 因 BN 中含 wB=43% ，有很大的吸收中子的截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制 棒。 4. 金属陶瓷 以金属氧化物或碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末，通过粉末冶金的方法制成 的，具有某些金属性质的陶瓷。 金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。粉末冶金方法及其应用 ? 金属材料的制备：熔炼、铸造 高熔点的金属及金属化合物难以通过熔炼或铸造的方法制备粉末冶金：陶瓷生产工艺 在冶金中的应用粉末制备 - 压制成型 - 烧结成零件或毛坯。 粉末冶金法的基本工艺过程. 粉末制备 包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤。 粉末的纯度、 粒度、 混合的均匀程度等对粉末冶金制品的质量有重要影响。粉末愈细、 愈均匀、纯度愈高，陶瓷的性能愈好。 2. 压制成型 多采用冷压法，即将粉料装入模具型腔内，在压力机下压制成致密的具有一定强度的 坯体。 为了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂，如汽油 橡胶溶液、石蜡等。 3. 烧结 将压制成型的坯体放入通过保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结，在保持至少一种 组元仍处于固态的烧结温度下，长时间保温，通过扩散、再结晶、化学反应等过程，获得 与一般合金相似的组织，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。 根据烧结过程中有无液相产生，烧结分为：固相烧结和液相烧结。 ? 固相烧结：在烧结时不形成液相。无偏析高速钢、烧结铝（Al-Al2O3 ） 、烧结钨、青 铜石墨、铁石墨等 ? 液相烧结：在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。金属陶瓷硬质合金（WC-Co 、 WC-TiC-Co 等） 、高速钢 WC 、铬钼钢 WC 等 4. 后处理加工 为改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。 如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压，以提高其密度、尺寸精度等；铁基粉末 冶金零件进行淬火处理，以提高硬度等等。 陶瓷材料的力学性能 强度（高温、低温、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。一、陶瓷材料的弹性变 形、塑性变形与断裂（图9-23） （1）弹性 A）弹性模量大 是金属材料的2 倍以上。 共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很 少，位错运动困难。 B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量结构不均匀性；缺陷 C）气孔率，弹性模量（ 2）塑性变形 a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 b）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动） c）陶瓷的超塑性 超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。 1250， 3.5×10-2 S-1 应变速率 =400%。 利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）（3）断裂 以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源裂纹扩展，瞬时脆断。 缺陷的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂 F( ) 断裂概率 m韦伯模数 0特征应力，该应力下断裂概率为0.632 、 试样内部的应力及它们的最大 值 二、陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小12 个数量级。（1）弯曲强度 三点弯曲、四点弯曲 四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。强度比三点的低。（2）抗拉强度 夹持部位易断裂（加橡胶垫） 常用弯曲强度代之，高20%40%。 （3）抗压强度 比抗拉强度高得多，10 倍左右。 （4）硬度高 HRA ，AT45N 小负荷的维氏硬度或努氏硬度。 陶瓷材料的断裂韧度比金属的低12 个数量级测定方法（图） 单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。 KIC 值受切口宽度的影响。金属材料： 、 、 KIC ； 陶瓷材料： 、 KIC 。 尖端塑性区很小。 陶瓷材料的增韧： （1）改善组织（细密、纯、匀）（2）相变增韧（3）微裂纹增韧 陶瓷材料的疲劳强度 静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳和热疲劳（1）静态疲劳 对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。“温度、应力、环境介质”分成的个区 （图 10-11） 孕育区（低于应力强度因子门槛值）低速区 da/dt 随 K而 中速区da/dt仅与环境介质有关，与K无关。 高速区 da/dt 随 K而呈指数关系（2）动态疲劳 类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。（3）循环疲劳 疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。陶瓷材料是脆性材料。（4）热疲劳 低周疲劳 金属的疲劳寿命通常用循环周次表示陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示疲劳特 性评价，同样符合paris 公式 陶瓷材料的其他性能 1、耐磨性 是耐磨材料的一个发展方向。（1）减摩性与耐磨性（2）抗磨性 2、抗热震性（热冲击）（1）抗热震断裂 急剧加热和冷却fcEtR 1 缓慢加热和冷却RERf ) 1( ，均与热导率有关。（2）抗热震损伤 气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。 反复加热冷却产生的弹性变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力） 。 提高热 震损伤抗力，需使用弹性模量大，强度低的材料。