特种陶瓷-考试重点(共7页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上普通陶器:即指土陶盆、罐、缸、瓮，以及耐火砖等具有多孔性着色坯体的制品，原料颗粒比较粗。瓷：用高岭土等烧制成的材料，质硬且脆，比陶质细致，也称瓷器瓷石：主要含石英和绢云母。由于它是石质,一般是用机器粉碎。瓷石是天然配好的制瓷原料，在1200-1250的温度下可以单独烧成瓷器，这就是所谓的“一元配方”。高岭土：元代，景德镇发现了高岭土，并将其掺入瓷石中，即所谓的“二元配方”，它提高了原料中铝的含量，使瓷胎可以耐受1280-1300的高温，这是提高瓷胎坚固性的必要条件。陶瓷：以无机非金属物质为原料，在制造或使用过程中经高温（540以上）煅烧而成的制品和材料。狭义：无机非金

2、属材料中的一种类型（水泥、玻璃、陶瓷等）。 广义：一切无机非金属材料及制品统称陶瓷。特点：1、原料丰富（Clarke value，占地壳总量的70-80%）2、性能优越：(抗压)强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等3、与金属、高分子、复合材料呈四足鼎立之势传统陶瓷:由粘土等硅酸盐天然原料为主的坯料制成的日用餐具、耐火材料、水泥、瓶玻璃、卫生洁具等。近代陶瓷:以Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、Si3N4等人工原料或合成原料为坯料制成的陶瓷。特种陶瓷:采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成、严格控制成型及烧结工艺所合成的，达到设计的微观结构和精确的尺寸精度，并具有优异特性的陶瓷。

3、日本称技术陶瓷结构陶瓷：用于机械结构零件的陶瓷。功能陶瓷：具有特殊的电、磁、声、光、热、化学及生物功能的陶瓷。陶瓷材料的结构与性能1、材料的成分、显微组织结构与性能（一体化，正交化试验方法）2、材料的结构受到组成及加工工艺的制约3、显微结构的研究指导材料工艺的制订与优化特种陶瓷的主要研究领域1、优化结构，获得优异性能 2、材料的性能评价与可靠性单相多晶体：陶瓷的相组成主要由单一相的多个晶体组成多相多晶体：除了晶相（可能多相）外，还有气孔和玻璃相晶相的结构：晶粒大小(晶粒度)、分布、形态，结晶特性、取向、晶界及表面形态晶相：决定陶瓷基本性能的主导物相。单相多晶、多相多晶晶形：晶体在形成、生长过程

4、中，习惯性地、自发地按一定的规律生长和发育成一定的几何形态。（自形晶：完整（完全发育）晶体；半自形晶和他形晶：生长受到抑制，部分完整或很不完整。）主晶相：决定材料基本性能。次生相：对陶瓷性能起重要调节性能。（析出相）玻璃相：配料中引入的各种杂质组分经高温烧结的物理、化学反应，形成液相，冷却时转变为玻璃相（常分布于晶界部位）。结构与作用烧结体中起粘结作用，粘结晶相，连续分布填充气孔、烧结体致密化降低烧结温度，促进烧结抑制晶体长大、防止晶形转变（低温烧结）有利于杂质、添加物的重新分布液相量依陶瓷的用途而定（液相量易变形，耐火度强度介电性）热处理，促进玻璃相晶化玻璃相有利于提高日用瓷的透明度釉料绝大

5、多数形成玻璃气孔：1、孤立状态、球形、分布于玻璃相、晶内、晶界2、易造成应力集中、减小有效截面面积，强度3、介电性（介电损耗）透明度4、隔热、消音、过滤功能（多孔陶瓷（连通气孔）形成：烧结温度低、时间短（欠烧）气体来自结构水、碳酸盐及硫酸盐分解及有机物氧化(脱蜡、去除粘结剂、增塑剂等）烧结环境中气氛的扩散烧结温度过高或升温过快（过烧）晶粒：晶相的组成单元，是陶瓷材料最基本、最重要的显微组成。影响晶粒大小的因素：原料的粒度分布、配方化学组成、烧结制度等（粒度较细、配方精确、合理科学的原料选择、配料、混料、成型、烧成制度等，特别地，在配料中加入添加物）晶粒取向：晶粒在空间的位置与方向织构：取向相同

6、的晶粒，择优取向各向异性（组织概念）陶瓷是以晶体为主的多晶集合体。各向同性特种成形工艺，如热压，可能导致晶粒的择优取向导致组织应力、热应力，变形开裂表面：与真空或本身蒸气接触的面界面：表面与另一相物质直接接触时，称为界面（晶界与相界）表面能：一定数量的质点从体内变成表面原子所需的能量表面缺陷：表面凹凸(缺口效应)与微裂纹晶界：不同位向的毗邻晶粒间的原子(离子)的过渡排列。（几个-几百个原子层厚度）晶界应力：晶界上由于杂质排列不规则而使质点距离疏密不均，从而形成微观的机械应力。晶粒越大，晶界应力越大，易产生裂纹，导致断裂。界面工程：晶界(细化晶粒）强韧化晶界钉扎、弥散强化特种陶瓷与传统陶瓷的区别

7、：1、成分上：有天然硅酸盐原料发展到人工精选或合成原料2、结构上：有以硅-氧四面体基本结构单元发展到单纯铝-氧、锆-氧八面体和硅-碳、硅-氮四面体以及其它结构单元的组合3、晶粒尺寸上：由普通陶瓷的1-100m发展到10nm-1m，精细陶瓷4、工艺上：由液相烧结发展到少量或没有液相的固相烧结分类：1、按晶质与非晶质的含量：全晶质、半晶质和玻璃质结构2、主晶相的晶粒尺寸：伟晶、巨晶、粗晶、中晶、细晶、微晶和隐晶结构伟晶：d>3cm 巨晶：d=13cm 粗晶：d=10 5mm 中晶：d=2 5mm 细晶：d =0.2 2mm 微晶： d =0.02 0.2mm 2.隐晶： d <0.02

8、mm（矿物学）3、主晶相晶粒的相对大小：均粒状、非均粒状和斑状结构4、主晶相晶粒的自形程度：自形晶、半自形晶及他形晶5、晶粒(组织)的形态：粒状、柱状、柱粒状、针状、片 状、树枝状、网络状、放射状6、气孔形态与分布：粗孔、细孔、微孔结构7、其它：欠烧、过烧结构，缺陷结构、反应结构、分相结构、熔蚀结构等按晶粒形态分类(常用的分类方法)1、粒状结构：晶粒大小相近，彼此相互接触，具颗粒状(等轴晶）等轴晶对应高致密度和高性能2、柱状结构：主晶呈柱状，晶粒尺寸相近，排列无序3、柱粒状结构：晶粒大小不均、悬殊不大、粗晶粒呈柱状、细晶粒呈粒状，充填在柱粒之间4、针状结构：晶粒细长如针状，相互交织构成网状5、

9、斑状结构：晶粒大小悬殊，粗晶形成斑晶，细晶构成基质，当基质为玻璃时，构成玻璃斑状结构按物理-化学过程分类1、反应结构：晶体相在高温过程的物理化学过程中被置换或被熔蚀所留下的残骸或形成的熔蚀边界2、定向结构：在温度梯度或应力作用下，主晶相为柱状或长条状，定向排列3、缺陷结构：烧结制度或氧分压控制不当，晶粒大小悬殊，晶内、晶间布满气孔和裂纹（异常长大）4、欠烧与过烧结构：烧结温度偏低，晶体发育不良，未形成固定的晶型；烧结温度偏高，晶体易受熔蚀以致晶面弯曲5、分相结构：陶瓷通过某种机理分离成两种互不混溶的液相6、复合结构：两种或以上不同组分结合，表现出特有的双重结构，并具独特的性能缺陷气孔：1)原料

10、颗粒不均匀堆积(桥接)，2)其它物质污染，3）不合理的烧结制度(温度过高或过低、有机物未充分去除等)异常晶粒长大（二次再结晶）导致晶粒的穿晶断裂，异于小晶粒的沿晶断裂(冰糖状断口）烧结过程的不均匀致密化造成，局部有更快的致密化速率晶界的不均匀钉扎造成晶界少量的液相团聚和第二相夹杂物分散性差、混料不均导致软、硬团聚夹杂物材料强度及可靠性显著降低高温蠕变：高温长时间恒温、恒压作用下，即使应力小于屈服强 度，也会缓缓发生塑性变形的现象。通过位错滑移、晶界滑动和迁移等方式进行。蠕变及断裂机制：位错滑移蠕变（位错滑移、攀移）空位扩散蠕变（Nabarro-Herring蠕变）晶界滑移蠕变（晶界位错滑移与攀

11、移，介于位错滑移与空位扩散之间）液相存在下的蠕变（界面溶解析出模型及液相扩散模型）沿晶断裂形式，晶界滑移引起应力集中与空位扩散，形成蠕变空洞，在与拉应力垂直晶界上聚集成为裂纹高温缺陷高温蠕变与裂纹扩展玻璃相在晶界形成一层薄的(约1 nm)的非晶态层高温蠕变产生晶界滑移和蠕变孔隙(空位)、形成裂纹并扩展变形特性：1、弹性变形弹性模量E:原子间结合力的大小，也即化学键的强弱(晶格类型、原子间距)单晶体：各向异性，多晶体：各向同性复合材料（层板）：E/=E1V1 + E2V2（等应变）,E=E1 E2/(E1V2 + E2V1)（等应力）影响因素：TE（石墨除外）、Tm E、致密度E陶瓷材料：E压缩

12、>>E拉伸组织不敏感性 缺陷结构（置换原子、第二相等）组织结构（组织转变、冷塑性变形）对E影响不大2、塑性变形塑性低(键强、滑移系少，位错形成及运动极困难）离子晶体高温呈现一定的塑性，高温下更多的滑移系。共价键晶体高温不易滑移3、超塑性：在高温和低应变速率下出现的异常高的塑性变形率的现象。相变超塑性（陶瓷在承载时的温度循环产生相变来获得超塑性）组织超塑性（特定的组织在恒定应变速率下获得超塑性）细晶粒超塑性4、高温蠕变：形成晶间玻璃相，TGriffith脆性断裂理论 材料中存在裂纹(孔隙、裂纹、夹杂等）外力作用下，裂纹尖端应力集中，大于th，材料断裂 C>>a，<

13、th裂纹的三种扩展方式：张开型 (I型)、滑开型(II型) 与撕开型(III型)，以I型最为常见 平面应力：只在平面内有应力，与该面垂直方向的应力可忽略，例如薄板拉压问题。 平面应变：只在平面内有应变，与该面垂直方向的应变可忽略，例如蒸汽管道气压问题。具体说来：平面应力是指所有的应力都在一个平面内，如果平面是OXY平面，那么只有正应力x，y，剪应力xy(它们都在一个平面内)，没有z，yz，zx。平面应变是指所有的应变都在一个平面内，同样如果平面是OXY平面，则只有正应变x，y和剪应变xy，而没有z，yz，zx。1）、纤维增韧机制：纤维断裂、拔出桥连、裂纹转向2）、连续长纤维增韧3）、短纤维和晶

14、须（单晶体，低缺陷）4）、颗粒增韧机制：细化晶粒、裂纹转向与分叉5）、界面结构：强结合界面（界面扩散、界面反应）、弱结合界面（机械结合、弱相互作用）与ZrO2相变相关的增韧机制相变过程，M相变(MsMf)尺寸效应 dc, dI, dmd<dI，过于稳定，无相变 dI <d< dc,应力诱发相变，相变增韧1、外加张应力作用，应力诱发相变2、相变吸收能量3、裂纹尖端产生压应力 当<f时，裂纹钝化dc < d< dm,冷却过程相变，残余应力增韧尺寸较小的粒子相变时，总膨胀变小，应变能也小，不足以使基体产生微裂纹，这些应变能就以残余应力的形式存在下来，当主裂纹进入残

15、余应力区时，残余应力释放，阻碍主裂纹的进一步扩展。（对主裂纹产生压应力作用）d>dm，微裂纹增韧1、诱发的微裂纹<2Ccrit,为安全裂纹、钝化裂纹2、导致主裂纹偏转、分叉，吸收断裂能，在更高应力下断裂。桥联增韧：多晶陶瓷中局部晶粒的桥联、延性颗粒及纤维（晶须）补强主要增韧方法与材料相变增韧：ZrO2的增韧是多重机制的综合，应力诱发相变，微裂纹分叉，微裂纹偏转和残余应力等。纤维补强：Nicalon-SiC纤维强化微晶玻璃复合材料和C/C复合材料主要韧化机制是裂纹桥接，纤维脱粘，纤维拔出等颗粒增强：Al2O3/Al复合材料（金属相连续）、W-3R纤维增强TiTaAl2（陶瓷相连续）吸

16、能机制是裂纹偏转，裂纹桥接，粒子塑性变形等。铁钒土：化学式Al2O3.H2O,Al2O3.3H2O和少量FE2O3.SiO2 一种矿石。常因含有而呈黄至红色。Al2O3陶瓷-Al2O3属尖晶石结构，高温下不稳定。-Al2O3实质上是一种含有碱土金属和或碱金属的铝酸盐。六方晶格-Al2O3为高温形态,稳定度高达熔点 六方晶系,刚玉结构。粉体制备1拜耳法（适于低硅铝矾土）矿石高压溶出 碳酸化分解 煅烧2烧结法 将磨细的铝矾土、石灰石和苏打在11001200度回转窑中烧结。Na2CO3+2ALOOH=2NaALO2+CO2+H2O 2CaCO3+SiO2=Ca2SIO4+2CO2 NA2CO3+FE

17、2O3=2NAFeO2+co2 通过溶浸法使NaALO2 与Ca2SiO3,NafEO2分离 3火花放电法 在纯水中浸入铝丸，在高频下放电，铝丸激烈运动与水反应生成氢氧化铝，煅烧得氧化铝粉 4无机铝盐热分解法氧化铝陶瓷的制备：工序：原料氧化铝粉煅烧-磨细-掺添加剂-成形-预烧-修坯-烧结-表面金属化处理 1）煅烧。煅烧的目的是使氧化铝转变为氧化铝，并排除原料中的氧化钠等低熔点挥发物2）磨细。可以湿磨和干磨，干磨时加百分之一到三的油酸，以防粘结3）掺添加剂。加添加剂的目的：1促进烧结，降低烧结温度，增加产品密度2控制晶粒尺寸3改善产品的物理化学性能（与Al2O3形成固溶体、在烧结时形成液相两类）

18、4）成形：注浆法（悬浮剂）、模压法（粘结剂）、挤压注（塑化剂）以及热压等。5）烧结。烧结是获得良好性能氧化铝陶瓷的关键工序。两类烧结工艺：高温快速、低温慢速。氧化铝陶瓷的用途：1）很高的硬度和强度，从而有良好的切削性、研磨性、耐磨性，是重要的刀具、磨具、轴承材料2）有良好的电绝缘性，是主要的绝缘瓷3）有良好的耐热性，常用作坩埚等炉窑用品，也是耐火材料的常用材料4）有好的耐蚀性，是化工用品的常用材料ZrO2陶瓷晶型转变：c-ZrO2为萤石型(CaF2)结构，O2+构成面心立方，Zr4+位于四面体间隙，t-ZrO2、m-ZrO2由相变而得2、相变效应：体积效应（3-4%的体积膨胀）热效应3、稳定化

19、处理：一些氧化物的阳离子半径与锆离子相近，它们在氧化锆中的溶解度很大，可以和氧化锆形成立方晶型的置换型固溶体。这些固溶体可通过快冷避免共析分解，c相以亚稳态保持到室温，快冷得到的立方固溶体不再发生相变，这种c-ZrO2叫全稳化ZrO2（FSZ）非扩散相变：1.ct相变：稳定剂多时，c- ZrO2全部亚稳到室温(c)，FSZ。 稳定剂量中等时，得到(t+m),(c+t)或(c+t+m)，PSZ；进一步减少稳定剂含量，c全部转变成t, t-ZrO2全部稳定到室温，TZP2. tm马氏体相变 影响因素：1）在一定范围内，随着稳定剂加入量的增加，相变点M降低，即有利于使t相保持到室温2)当稳定剂加入到

20、一定量时，晶粒愈小Ms愈低，因为晶粒愈小，界面能愈大相变阻力愈大，所必须的相变驱动力愈大3）冷却速度越高，Ms愈低，转变温区变窄，有利于保存t相到室温3. tm等温转变 Ms450 等温温度与转变率 :等温温度越高，Mf越低 等温温度过低，Mf也低韧化 原理：应力诱发相变 影响因素：尺寸效应 稳定剂（种类、相对量、分布特征）ZrO2增韧Al2O3陶瓷（ZTA) ZTA混合粉的三种制备方法：1）混合法：将-Al2O3和Y-ZrO2粉混合湿磨获得混合粉。2）共沉淀法：用ZrOCl2·8H2O和AlCl3·6H2O水溶液与Y2O3+HCl一道在pH=9，T=40时共沉淀，干燥、研

21、磨后，在T=840煅烧。3）沉淀包裹法：首先用ZrOCl2·8H2O与Y2O3+HCl一道在pH=9，T=40时共沉淀，之后直接加入-Al2O3水悬浮液混匀，最后过滤、干燥，在T=840煅烧。SiC陶瓷Si-C相图1)唯一的化合物（不稳定化合物）2)高温分解3)成分：严格的1:1 SiC结构 1)SiC4或CSi4四面体 2) 88%共价键成分 3)120多种变体性能与用途 无色透明晶体 绿碳(含N) 黑碳(含Al，B) 高温抗氧化性优良800-1140差，氧化膜疏松 >1750，氧化膜破坏，（活化氧化，钝化氧化）SiC粉体的制备 1)碳热还原法 2)直接合成法：Si+C= S

22、iC（粉体）碳管炉中高温合成，纯度较高，含自由Si和C 3)有机先驱体法二氯甲基硅烷或三氯甲基硅烷裂解制备SiC纤维 4)气相合成法SiC陶瓷制备 常压(无压)烧结(B+C)作为助烧剂1)促进SiC中缺陷形成，引入B或C的空位 2）B与SiC形成固溶体降低晶界能，而C破坏SiO2,增加表面能。烧结收缩的条件：g/s<3 3）形成液相，含B的液相起到溶解-沉淀作用反应烧结：将碳化硅粉和石墨粉按一定比例混合压成坯块，熔融硅对SiC+C有极好的润湿性，渗入压坯与C反应生成碳化硅，把原先的碳化硅结合起来。用这种方法可获得致密产品，但高温下强度剧烈下降。重结晶：重结晶是将SiC+C+Si混合粉压坯

23、在高温下反应再结晶获得SiC陶瓷的工艺。烧结通过SiO+CO气相反应和蒸发-沉积完成，即通过气相反应生成碳化硅，小尺寸碳化硅粒子蒸发沉积在较大的碳化硅粒子上。Si3N4陶瓷晶体结构1）,- Si3N4,六方晶系，由SiN4共顶构成的二维空间网络2)- Si3N4内部结构应变比-Si3N4高，缺陷结构，自由能高，活性高3)两种晶型晶格常数a相差不大，但- Si3N4的c 值将近为后者的2倍Si3N4粉体的制取 1）直接氮化法2）二氧化硅碳热还原与氮化优点：成本低，含比较多-Si3N4；缺点：含SiO2,还可能生成Si2N2O及SiC3）硅亚氨热分解(Si(NH)2) 4)化学气相沉积 制取氮化硅

24、廉价方法：1）稻壳灰氮化2）粘土与煤反应3）火山灰铝热还原再氮化理想粉体的特征：1）等轴状颗粒以便提高压坯密度2）高比表面以利于烧结3）高氮化硅含量以利于形成较好的显微颗粒4)杂质含量低，可避免不需要的反应和有利于获得较好的高温力学性能Si3N4陶瓷的制备1）反应烧结(RS-SN)将硅粉或硅粉和氮化硅粉的混合粉成形后在1200°左右通氮进行预氮化，之后加工成所需零件，最后在1400°左右进行最终氮化烧结。形状、尺寸不变，含15-30%气孔，1-5%残余硅，强度、韧性较低。技术关键：控制反应温度与烧结速率，Si的氮化是放热反应。温度过高，Si熔融，导致Si3N4晶粒粗大，堵塞

25、通孔，阻止进一步氮化，制品质量差。反应速率控制分段升温法 三步升温法，最高温度在Si熔点以上，又叫超温氮化。2）常压烧结法添加烧结助剂，液相烧结烧结助剂：可单独、混合加入。颗粒细，-Si3N4含量高 液相辅助相变，促进烧结致密化过程：1）颗粒重排2）溶解-扩散重沉淀3）封闭气孔的最后排除。“反烧结”过程：气态SiO和N2逸出，逆致密化过程 1、将压坯埋于填料，埋粉 2、在气体均衡压力下烧结，气压烧结玻璃晶相的生成虽然能提高材料密度，增加室温强度，但它会使制品高温强度降低和蠕变性能变差。同时在晶相析出第二相，使晶形畸变。在烧结后期或烧结后进行适当热处理，可使玻璃相转变为陶瓷相。3）重烧结 将反应

26、烧结和气压烧结结合起来的烧结技术显微结构优化1）尽可能提高密度 陶瓷的力学性能随孔隙度增加急剧下降2）晶粒的长度比：含纤维状氮化硅晶粒的材料有很高的强度和韧性。3)玻璃相有利于氮化硅的致密化，但却使高温强度显著下降提高性能采用合适的复合添加剂-设计稳定的晶界相性能：1）强度高，韧性好，膨胀系数低，导热性好，有十分好的抗热震形2）硬度高，摩擦系数低，自润滑，是重要的刀具、磨具、轴承材料。3）高的电阻率，介电常数，低的介质损耗，是优良的介质瓷，可用作雷达天线，高温绝缘体4）有优良的化学稳定性（致密的SiO2保护层）Sialon陶瓷：如果Si3N4中部分Si-N四面体被Al-O四面体取代形成一种结构和性质均与Si3N4类似的新相，sialon相。性能1）优良的抗氧化性能2)热膨胀系数低，优良的抗热震性能3)抗熔融金属