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陶瓷材料的基本材料

发布日期:2020-04-27 04:33 作者:亚美ag旗舰下载

  陶瓷材料的基本材料_材料科学_工程科技_专业资料。——江东新材料 周祖直 7.27 1.造粒 陶瓷材料的 生产过程 2.成型 3.烧结 Slide - 2 High Confidential (1):造粒 造粒工艺是将磨细的粉料,经过

  ——江东新材料 周祖直 7.27 1.造粒 陶瓷材料的 生产过程 2.成型 3.烧结 Slide - 2 High Confidential (1):造粒 造粒工艺是将磨细的粉料,经过干燥、加胶黏剂,制成流动性好、 粒径约为0.1mm的颗粒。一般使用的胶黏剂应满足以下要求:要 有足够的黏性,以保证良好的成型性和坯体的机械强度;经高温 锻烧能全部挥发,坯体中不留或少留胶黏剂残留杂质;工艺简单, 没有腐蚀性,对陶瓷性能无不良影响。 在功能陶瓷的生产工艺中从利于烧成和固相反应进行的 角度考虑,希望获得超细的原料颗粒,但粉料越细,比 表面积越大,流动性越差,干压成型时不容易均匀的充 满模具,经常出现成型件有空洞、边角不致密、层裂、 弹性失效的问题。常采用造粒工艺解决这一问题。 Slide - 3 High Confidential (2)成型: 粉末原料转化成一定体积和强度的成型体,也称素坯。 ⅰ.成型在陶瓷烧结致密化中的重要作用: 一定形状 加压成型 减少孔隙度 残余应力 残余应力:烧结过程中即固相扩散物质迁移致密化的驱动力。没 有经过压实的粉末,即使在高温下(<Tm)烧结,也不会产生致密 化而形成陶瓷。 Slide - 4 High Confidential ⅱ.成型工艺: 成型工艺 干 压 成 型 冷等静压成型 热等静压成型 a:干压成型:单轴向压制成型。 密度、应力不均匀,易产生分层,压力高时尤为明显。 适用范围:形状简单、横截面积大,但高度小的样品。 b:冷等静压成型: 优点:坯体密度均匀、无缺陷,用于长径比大、形状复杂的零件, 压力可加到400—500MPa,为后续烧结致密化创造有利条件。 High Confidential (3)、烧结: 将坯体加热到高温,通过固相或部分液相扩散,使物质迁移而消除 孔隙,形成特定的显微组织结构的工艺过程。 烧结时生坯在高温下发生一系列物理化学变化(水的蒸发,硅 酸盐分解,有机物及碳化物的气化,晶体转型及熔化),并使生坯 体积收缩,强度、密度增加,形成致密、坚硬的具有某种显微结构 的烧结体。 常压烧结 烧结 热压烧结 热等静压 2017/12/8 Slide - 6 High Confidential 6 a:常压烧结法: 在大气中烧结。 又称无压烧结 b:热压烧结: 加温同时加压的烧结方式,一般单轴向加压。 优点:减少气孔率,提高致密度,降低烧结温度。 c:热等静压: 等静压与加热的结合,只能通过气体加压。 目前,该方法压力可达2000MPa,温度可达2000℃。 Slide - 7 High Confidential 四、陶瓷的性能: 1.力学性能: 1)弹性性能:陶瓷的应用中,只产生弹性变形。 i:弹性模量E比金属高; ii:致密度对陶瓷材料的弹性模量影响很大, 随气孔增加,E值急剧下降。 几种陶瓷的E值 材料 WC SiC Al2O3 SiO2 玻璃 低合金钢 弹性模量 ×105MPa 46.5 4.5 3.9 9.4 3.54.5 22.1 Slide - 8 High Confidential 2)硬度: 硬度是陶瓷材料重要的力学性能参数。 陶瓷具有高硬度,大多在HV1500以上。 氮化硅和立方氮化硼(70) 接近金钢石(90)的硬度, 淬火钢:500-800HV。 陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。 陶瓷硬度的测定方法:维氏硬度HV(最常用)、显微硬度Hm、洛氏硬 度HR、莫氏硬度。 Slide - 9 High Confidential 3)强度: 由化学键所决定,室温下陶瓷几乎不产生滑移和位错运动。 Slide - 10 High Confidential 室温下陶瓷很难产生塑性变形,其破坏方式为脆性断裂。 故室温下只有断裂强度σf。 σf表示弹性变形达到极限程度而发生断裂的应力。 陶瓷断口 Slide - 11 High Confidential σf的影响因素: i.气孔率:气孔降低承载面积,并引起应力集中。气孔 率高,强度急剧下降,例气孔率10%,强度下降到无气孔 时的一半。 ii.晶粒尺寸:晶粒越细,σf越高。 iii.晶界相的性质、厚度、晶粒形状:晶界相最好能 阻止裂纹的扩展,玻璃相对σf不利。晶粒形状最好为均 匀的等轴晶粒。 Slide - 12 High Confidential 高强度陶瓷的组织要求: 晶粒尺寸小,晶体缺陷少 高强度陶瓷 晶粒尺寸均匀,等轴 晶界相含量适中,减少脆性玻璃相 减少气孔率 尺寸越小,缺陷产生的几率越小, 强度越高。 不同截面大小陶瓷的强度值:MPa 块状 Al2O3 Si3N4 Slide - 13 纤维 2100 晶须 21000 14000 280 120-140 High Confidential 2.热性能: 指熔点、热膨胀、导热率、热容量。 i.熔点:具有高的熔点,多数在2000℃以上。 ii.热容:改变材料温度水平时所需的热量,通常以比热的形 式给出。气孔率大,热容小。 iii.热膨胀:线/K,结构紧密, 膨胀系数大。 iv.热传导:在一定温度梯度下热量在材料中传递的速率。 v.抗热震性:在温度急剧变化时抵抗破坏的能力。 陶瓷抗热震性一般较差,受热冲击时易破坏。 Slide - 14 High Confidential 陶瓷材料因高熔点、高硬度、较好的化学稳定性、 很强的抗氧化性,广泛用作高温材料。 例: 特殊的冶金坩埚:BeO、AlN、 火箭、导弹的雷达保护罩: Al2O3、ZrO2 燃烧室喷嘴:SiC,BeO 电炉发热体:ZrO,SiC Slide - 15 High Confidential 3.其它物理、化学性能: i:高电阻:良好的绝缘体。 半导体陶瓷、压电陶瓷等。 ii:特殊光学性能: 固体激光材料:红宝石; 光导纤维:玻璃纤维。 iii:磁性陶瓷:又名铁氧体, 由Fe2O3和Mn、Zn的氧化物组成。 iv:高的化学稳定性:抗氧化,1000℃高温下不氧化。 对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。 Slide - 16 High Confidential 第二节 常用陶瓷 Ceramic in Common Use Slide - 17 High Confidential 一、普通陶瓷: 粘土(Al2O3·2SiO2·H2O) 原材料 长石(K2O.Al2O3.6SiO2;Na2O.Al2O3.6SiO2) 石英(SiO2) 坚硬,不氧化、不导电,成型性好, 耐1200℃高温,成本低廉。 强度低,高温下玻璃相易软化。 日用陶瓷 性能 用途 耐酸碱容器 绝缘电磁 Slide - 18 High Confidential 二、特种陶瓷: 采用纯度较高的人工合成化合物(如Al2O3、 ZrO2、SiC、Si3N4、BN),经配料、成型、烧 结而制得。 Slide - 19 High Confidential 1、氧化物陶瓷: 氧化铝陶瓷:以Al2O3为主要成分, 75 瓷( 75% Al2O3 )又称刚玉 - 莫来石瓷; 95 瓷 (95% Al2O3)和99瓷(99% Al2O3)。 后两者称刚玉瓷。 强度高,比普通瓷高5~6倍; 硬度高,有很好的耐磨性; 氧化铝瓷 耐高温,能在1600℃高温下长期工作; 耐蚀性及绝缘性好; 缺点是脆性大,抗热振性差. High Confidential Slide - 20 性能:AL2O3含量越高,性能越好, 用途:工具、量具、模具、轴承、坩锅、热电偶套管等。 缺点:脆性大、抗热震性差。 氧化铝陶瓷的性能 牌号 AL2O3(%) 相对密度 硬度 (莫氏) 抗压强度 Mpa 1800 2000 2500 抗拉强度 Mpa 150 180 250 85瓷 96瓷 99瓷 85 96 99 3.45 3.72 3.90 9 9 9 Slide - 21 High Confidential 氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料,如 耐火砖、坩埚、热偶套管,淬火钢的切 削刀具、金属拔丝模,内燃机的火花 塞,火箭、导弹的导流罩及轴承等。 氧 化 铝 陶 瓷 密 封 环 氧化铝陶瓷坩埚 氧化铝陶瓷转心球阀 Slide - 22 High Confidential 氧化锆陶瓷 氧化锆陶瓷的熔点在2700℃以上,使用温度为2000~2200℃, 能抗熔融金属的侵蚀。用氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强 度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度 为15.0MPa·m1/2,分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍。 应用:可代替金属制造模具、 拉丝模、泵叶轮,还可制造 汽车零件。 Slide - 23 High Confidential 氧化镁/钙陶瓷 通常由热白云石(镁/钙的碳酸盐)矿石除去CO2 而制成,其特 点是能抗各种金属碱性渣的作用,常作炉衬的耐火砖。缺点是热稳 定性差,MgO在高温下易挥发,CaO甚至在空气中就易水化。 氧化铍陶瓷 氧化铍陶瓷最大的特点是导热性好,具有很高的热稳定性,抗 热冲击性较高,经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。 Slide - 24 High Confidential Slide - 25 High Confidential 2、氮化物陶瓷: 氮化硅陶瓷: 以Si3N4为主要成分的陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组 成的共价键固体。 氮化硅的制备: 工业硅直接氮化:3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化:3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO Slide - 26 High Confidential 按制造工艺分:热压烧结氮化硅(β- Si3N4)陶瓷; 反应烧结氮化硅(α- Si3N4)陶瓷。 热压烧结氮化硅陶瓷组织致密,气孔率接近于零,强度高。反应 烧结氮化硅陶瓷有20%~30%气孔. 烧结工艺 反应烧结 优点 缺点 烧结时几乎没有收缩,能得 密度低,强度低,耐蚀性 到复杂的形状 差 用较少的助剂就能致密化, 只能制造简单形状,烧结 强度、耐蚀性最好 助剂使高温强度降低 热压烧结 Slide - 27 High Confidential 特点: (1)硬度高,摩擦因子小 只有0.1~0.2,具有自润滑性; (2)蠕变抗力高,热膨胀系数小 抗热振性能在陶瓷中最佳,比 Al2O3瓷高2~3倍; (3)化学稳定性好 抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的侵蚀,也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀; (4)具有优异的电绝缘性能。 Slide - 28 High Confidential 应用:热压烧结氮化硅用于形状 简单、精度要求不高的零件,如 切削刀具、高温轴承等。 Si3N4轴承 反应烧结氮化硅用 于形状复杂、尺寸 精度要求高的零件, 如机械密封环等。 汽轮机转子 Slide - 29 High Confidential 叶片、气阀 氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的主要晶相是BN,属于共价晶体, 其晶体结构与石墨相仿,为六方晶格。 特点:具有良好的耐热性和导热性,其热导率与不锈钢相当; 热膨胀系数小,绝缘性好,化学稳定性高;硬度较其它陶瓷低,可 进行切削加工;有自润滑性。 应用:制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。 Slide - 30 High Confidential 3、碳化物陶瓷: 包括:碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、 碳化钨、 碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。 特点:具有很高的熔点、硬度和耐磨性 缺点:耐高温氧化能力差,脆性极大 Slide - 31 High Confidential 碳化硅陶瓷:碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为 3.2×103kg·m-3 ,弯曲强度和抗压强度分别为 200 ~ 250MPa 和 1000 ~ 1500MPa,硬度为莫氏9.2。 特点:热导率高,而热膨胀系数小。 应用:常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。 Slide - 32 High Confidential 碳化硅是通过键能很高的共价键结 合的晶体。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦 碳直接加热至高温还原而成: SiO2+3C→SiC+2CO 常压烧结碳化 硅 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一 层薄氧化膜,因此很难烧结,需添加烧结助剂促进烧结,常加的助剂 有硼、碳、铝等。 Slide - 33 High Confidential 谢谢! Slide - 34 High Confidential


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