先进陶瓷材料第六讲结构陶瓷材料(V)

1、先进陶瓷材料 中国海洋大学材料科学与工程研究院 第五讲第五讲 结构陶瓷材料结构陶瓷材料( (iv)iv) 典型结构陶瓷材料典型结构陶瓷材料 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 n氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 n氧化锆增韧陶瓷氧化锆增韧陶瓷 n莫来石陶瓷莫来石陶瓷 n锆英石陶瓷锆英石陶瓷 n钛酸铝陶瓷钛酸铝陶瓷 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷莫来石陶瓷 莫来石陶瓷概述莫来石陶瓷概述 发展历程：发展历程： 首报：首报：1924年，年，bowen等等 发现了发现了al2o3-sio2系统中的莫来石相系统中的莫来石相 研究工作的三个阶段：研究工作的三个阶段： 1970年以前：

2、莫来石晶相的结构与表征年以前：莫来石晶相的结构与表征 1970-1990年：莫来石陶瓷的性能，年：莫来石陶瓷的性能， 在力学、光学、电子学等方面可能的应用在力学、光学、电子学等方面可能的应用 1990年以来：莫来石陶瓷的烧结、显微结构、力学年以来：莫来石陶瓷的烧结、显微结构、力学 性能及其粉体合成、晶须制备、高纯陶瓷制备等性能及其粉体合成、晶须制备、高纯陶瓷制备等 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石的晶体结构及相关系莫来石的晶体结构及相关系 莫来石的晶体结构莫来石的晶体结构 莫来石斜方晶系莫来石斜方晶系 平行于平行于c轴的铝氧八面体链和铝硅氧四面体链分轴的铝氧八面体链和铝硅氧四面体链分 别以

3、共棱和共顶方式连接成硅酸盐双链网络结构别以共棱和共顶方式连接成硅酸盐双链网络结构 双链间由六配位铝离子相连接双链间由六配位铝离子相连接 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石是一种简单的固溶体莫来石是一种简单的固溶体 有两种稳定的组成：有两种稳定的组成： 烧结莫来石：烧结莫来石：3al2o3.2sio2 熔融莫来石：熔融莫来石： 2al2o3.sio2 晶体结构晶体结构 与制备工艺有关与制备工艺有关 晶格常数晶格常数 随氧化铝含量变化随氧化铝含量变化 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石的相平衡莫来石的相平衡 al2o3-sio2系统是陶瓷中最重要的二元系统系统是陶瓷中最重要的二元系统 目前还有

4、两个主要分歧：目前还有两个主要分歧： 1）莫来石的熔融问题；）莫来石的熔融问题； 2）莫来石的固溶范围（大小、形状和位置）莫来石的固溶范围（大小、形状和位置） 两个研究结果对比：两个研究结果对比： 转熔点不同；转熔点不同； 转熔温度不同；转熔温度不同； 固溶区不同。固溶区不同。 分歧的原因：实验条件不同分歧的原因：实验条件不同实验结果不同实验结果不同 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的物理化学性质莫来石陶瓷的物理化学性质 性性 质质典型值典型值 理论密度理论密度3.17 硬度硬度7.5 蠕变速率（蠕变速率（8.27mpa、1100oc / m.h-1)9.810-9 膨胀系数（膨胀系数

5、（251000oc ）4.2 膨胀系数（膨胀系数（251500oc ）5.6 热导率热导率5.45 抗弯强度（抗弯强度（5.0气孔率）气孔率）117 抗弯强度（抗弯强度（2.0气孔率）气孔率）132 抗弯强度（抗弯强度（0气孔率）气孔率）250500 断裂韧性断裂韧性23 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 突出优点：突出优点： 线膨胀系数低线膨胀系数低良好的抗热震性良好的抗热震性 蠕变速率低蠕变速率低高温变形小高温变形小 热导率低热导率低良好的隔热性能良好的隔热性能 高纯莫来石高纯莫来石 抗弯强度抗弯强度维持到维持到1500oc无明显降低无明显降低 高温环境下，优良的中红外透过性高温环境下，优良的

6、中红外透过性 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 独特的力学性能独特的力学性能 强度保持到高温强度保持到高温 与杂质含量有关与杂质含量有关 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 富硅的莫来石陶瓷富硅的莫来石陶瓷 高温力学性能明显优于室温高温力学性能明显优于室温 原因：原因：1）高温下黏滞状态玻璃相钝化裂纹）高温下黏滞状态玻璃相钝化裂纹 2）柱状莫来石晶粒拔出、吸收能量）柱状莫来石晶粒拔出、吸收能量 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的粉体合成与烧结莫来石陶瓷的粉体合成与烧结 莫来石粉体的合成莫来石粉体的合成 工业合成法：工业合成法： 含铝和硅的矿物（高岭石、硅线石）经高温分含铝和硅的矿物（高岭石、硅线

7、石）经高温分 解形成，解形成， 2232 1200 232 423)2( 3siosiooalsiooal c 2232 1200 232 23)( 3siosiooalsiooal c 一次莫来石一次莫来石 制备过程中往往加入氧化铝制备过程中往往加入氧化铝 232 1200 232 2323siooalsiooal c 二次莫来石二次莫来石 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 化学合成化学合成 1）化学沉淀法）化学沉淀法 2）溶胶凝胶法）溶胶凝胶法 3）包裹法）包裹法 莫来石陶瓷的烧结和显微结构莫来石陶瓷的烧结和显微结构 莫来石复合氧化物扩散系数低莫来石复合氧化物扩散系数低 一般条件下，很难致密化

8、一般条件下，很难致密化 热压烧结温度：热压烧结温度：1500oc 无压烧结温度：无压烧结温度：1650oc 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 降低烧结温度：降低烧结温度： 合成高活性莫来石粉体合成高活性莫来石粉体 引入添加剂引入添加剂 液相烧结液相烧结 引入引入1 - 2wt%的的y2o3、mgo或或cao 降低烧结温度，抑制晶粒长大降低烧结温度，抑制晶粒长大 引入引入10 20 vol氧化锆，氧化锆， 明显促进烧结，且氧化锆晶粒位于晶界上，明显促进烧结，且氧化锆晶粒位于晶界上， 有效阻止晶界迁移，细化莫来石陶瓷的显微结有效阻止晶界迁移，细化莫来石陶瓷的显微结 构构提高力学性能提高力学性能 氧化物

9、陶瓷材料氧化物陶瓷材料 原始粉体对莫来石陶瓷烧结的影响原始粉体对莫来石陶瓷烧结的影响 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的强韧化莫来石陶瓷的强韧化 抗弯强度：抗弯强度：200400mpa 断裂韧性：断裂韧性：2.2mpa.m1/2 线膨胀系数：线膨胀系数：451010 6 6/ / 突出优点：高温强度衰减小突出优点：高温强度衰减小 高的抗蠕变高的抗蠕变 19871987年，日本东京年，日本东京 19901990年，美国西雅图年，美国西雅图 组成、结构、制备等方面的研究组成、结构、制备等方面的研究 增强、增韧增强、增韧主要的研究方向之一主要的研究方向之一 广泛关注广泛关注 莫来石陶瓷国莫来

10、石陶瓷国 际学术研讨会际学术研讨会 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 高强、高模量第二相复合补强高强、高模量第二相复合补强 莫来石陶瓷强韧化的有效方法莫来石陶瓷强韧化的有效方法 纤维补强莫来石基复合材料纤维补强莫来石基复合材料 主要纤维：莫来石纤维、碳纤维、主要纤维：莫来石纤维、碳纤维、 碳化硅纤维、氧化铝纤维等碳化硅纤维、氧化铝纤维等 机理：机理： 纤维和基体化学结合，纤维和基体化学结合， 断裂时，纤维从基体断裂时，纤维从基体 拔出和桥联，阻止裂拔出和桥联，阻止裂 纹扩展，吸收断裂能。纹扩展，吸收断裂能。 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石纤维莫来石纤维/莫来石复合材料莫来石复合材料 勃姆石（

11、勃姆石（alooh）凝胶和）凝胶和sio2溶胶为原料，按溶胶为原料，按 莫来石化学计量比制备凝胶，干燥后得基体复合莫来石化学计量比制备凝胶，干燥后得基体复合 粉末粉末制备成浆料制备成浆料 莫来石纤维，表面涂覆莫来石纤维，表面涂覆bn或或bn/sic，采用浸渍，采用浸渍 法浸浆，干燥、切割叠层、真空热压。法浸浆，干燥、切割叠层、真空热压。 所得材料性能所得材料性能 复合材料复合材料相对密度相对密度抗弯强度抗弯强度断裂韧性断裂韧性纤维体积纤维体积 nb/莫来石莫来石9032211.641 bn/sic/莫来石莫来石85%1827.133 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 碳纤维碳纤维/莫来石复合材料莫

12、来石复合材料 典型制备方法：典型制备方法： 高强碳纤维绳为增强相，高强碳纤维绳为增强相， 亚微米氧化铝和氧化硅溶胶亚微米氧化铝和氧化硅溶胶莫来石凝胶莫来石凝胶 莫来石粉体莫来石粉体浆料浆料 通过一次渗透法制备单向碳纤维复合材料通过一次渗透法制备单向碳纤维复合材料 13001400，2h2h： 相对密度相对密度9999，强度：，强度：720mpa720mpa 16001600，2h2h：全部莫来石：全部莫来石 密度密度 99 99，强度：，强度：766mpa766mpa 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 zro2增韧莫来石基复合材料（增韧莫来石基复合材料（zmt） 原位反应烧结原位反应烧结 原料：锆

13、英石、氧化铝原料：锆英石、氧化铝 2232322 22332zrosiooaloalzrsio 烧结过程的双重效应烧结过程的双重效应 反应膨胀（反应膨胀（13） 烧结收缩烧结收缩 制品原位烧结。制品原位烧结。 强度：强度：400mpa 韧性：韧性：4.5mpa.m1/2 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 颗粒或晶须补强增颗粒或晶须补强增 韧莫来石韧莫来石 多种补强剂协同补多种补强剂协同补 强增韧强增韧 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的应用莫来石陶瓷的应用 应用领域应用领域应用场合应用场合应用部位应用部位 水泥工业水泥工业回转窑回转窑内衬材料内衬材料 陶瓷工业陶瓷工业烧结窑烧结窑推板、匣砵

14、、坩埚推板、匣砵、坩埚 玻璃工业玻璃工业玻璃熔窑玻璃熔窑窑池、窑壁等窑池、窑壁等 有色金属有色金属熔铝炉熔铝炉与液态铝接触处与液态铝接触处 钢铁工业钢铁工业高炉连铸系统高炉连铸系统炉衬、水口炉衬、水口 石油化工石油化工反应器反应器内衬材料内衬材料 高温陶瓷高温陶瓷热机部件热机部件活塞顶等活塞顶等 信息产业信息产业电子器件电子器件封装材料封装材料 精密设备精密设备光学部件光学部件窗口材料窗口材料 其他应用其他应用纤维、多空载体纤维、多空载体 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 应用实例应用实例 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 n锆英石陶瓷锆英石陶瓷 zro2-sio2系统惟

15、一稳定的化合物系统惟一稳定的化合物 分子式：分子式：zrsio4 zro2：67.22wt% sio2： 32.78wt% 纯的锆英石纯的锆英石白色，实际白色，实际淡黄色（淡黄色（fe） 天然矿物较多，分布于海南、广东、辽宁等地天然矿物较多，分布于海南、广东、辽宁等地 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 锆英石的结构和性质锆英石的结构和性质 岛状结构的硅酸盐岛状结构的硅酸盐 金红石结构金红石结构 硅氧四面体独立硅氧四面体独立 zr4+连接连接 zr4+填充在填充在8个个o2-之间之间 形成形成zro8十二面体十二面体 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 锆英石的基本理化性质锆英石的基本理化性质 性质性质数

16、值数值 理论密度理论密度4.67 熔点熔点1700-1750 莫氏硬度莫氏硬度7.5 弹性模量弹性模量230 抗弯强度抗弯强度200-300 断裂韧性断裂韧性2-3 膨胀系数膨胀系数4.1 抗热震性能优异抗热震性能优异 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 锆英石粉体的制备锆英石粉体的制备 典型的制备方法（湿化学法）典型的制备方法（湿化学法） 氧氯化锆、气凝二氧化硅为原料，引入晶种氧氯化锆、气凝二氧化硅为原料，引入晶种 得到高纯亚微米级锆英石得到高纯亚微米级锆英石 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 锆英石陶瓷的烧结锆英石陶瓷的烧结 锆英石锆英石难烧结的复合氧化物陶瓷难烧结的复合氧化物陶瓷 可引入可引入al

17、-ti-si烧结助剂烧结助剂液相烧结（液相烧结（1600） 热压烧结明显提高性能热压烧结明显提高性能 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 晶须、颗粒补强锆英石陶瓷晶须、颗粒补强锆英石陶瓷 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 锆英石陶瓷的应用锆英石陶瓷的应用 金属铸造金属铸造 型砂型砂 高级耐火材料高级耐火材料 连铸连铸 水口水口 真空冶炼真空冶炼 锆莫来石砖锆莫来石砖 玻璃窑炉玻璃窑炉 锆刚玉砖锆刚玉砖 传统陶瓷工业传统陶瓷工业 引入釉料引入釉料 降低膨胀性降低膨胀性 提高白度提高白度 化学稳定性化学稳定性 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 n钛酸铝陶瓷钛酸铝陶瓷 化学组成：化学组成：al2tio5 氧化物陶

18、瓷材料氧化物陶瓷材料 钛酸铝陶瓷的基本性质钛酸铝陶瓷的基本性质 性质性质数值数值 密度密度3.702 强度强度100-170（室温）（室温）120-300（1200） 膨胀系数膨胀系数a向：向：11.8 b向：向：19.4 c向：向：- 2.6 0-1.5（多晶钛酸铝）（多晶钛酸铝） 熔点熔点1860 使用温度使用温度1650 超低膨胀系数超低膨胀系数高抗热震性高抗热震性抗高温腐蚀抗高温腐蚀 高温高温强度提高强度提高 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 膨胀系数和抗弯强度膨胀系数和抗弯强度温度关系温度关系 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 钛酸铝陶瓷的制备钛酸铝陶瓷的制备 粉体合成：粉体合成： 固相法：固相法： al2o3+tio2 (1300) 液相法：液相法： 金属醇盐金属醇盐溶胶凝胶溶胶凝胶1200热处理热处理 烧结：烧结： 反应烧结：体积膨胀反应烧结：体积膨胀致密度低致密度低 合成合成烧结：性能改善烧结：性能改善 液相烧结：引入添加剂液相烧结：引入添加剂 2%mgo和和4%sio2(1500) 60mpa 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 钛酸铝陶瓷的应用钛酸铝陶瓷的应用 课程专题报告安排课程专题报告安排 次序次序时间时间报告人报告人报报 告告 题题 目目 111.25 孔茉莉孔茉