第十章陶瓷材料

1、第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料CeramicsCeramics自然界中的材料品种繁多自然界中的材料品种繁多,并且各具特色并且各具特色,人们通常将材料分为人们通常将材料分为: 金属材料 无机非金属材料 高分子材料 为什么陶瓷材料缺乏韧性, 不能变形,或者说变形能力很差?第1节 陶瓷材料的晶体结构一 陶瓷中化合物的离子键及共价键表8.1 部分陶瓷化合物的离子键与共价键的比例陶瓷化合物 原子 负电性差 离子键% 共价键% MgO Mg-O 2.3 73 27 Al2O3 Al-O 2.0 63 37 SiO2 Si O 1.7 51 49 Si3N4 Si N 1.2 30 70 SiC Si -

2、C 0.7 11 89第1节 陶瓷材料的晶体结构二 离子晶体的结构在离子晶体中, 离子的堆垛方式主要决定于两方面的因素 离子间尺寸差的大小; 配位数的大小,即离子晶体要保持其电中性所需的负离子数.阳离子阴离子第1节 陶瓷材料的晶体结构临界半径比临界半径比: : 阳离子与阴离子刚好接触时,阳离子半径与阴离子半径比.第1节 陶瓷材料的晶体结构三 CsCl的晶体结构(CsBr, TlCl, TlBr)图8.3 CsCl的晶体结构(a)离子的坐标位置示意图及(b)原子模型。晶体中8个Cl-离子围绕一个Cs+离子即配位数为8，而在这个单胞中只有一个Cl-离子和一个Cs+离子 第1节 陶瓷材料的晶体结构四

3、 NaCl的晶体结构 (MgO,CaO,NiO,FeO)图8.4 (a) NaCl晶体中Na+离子(半径=0.102nm)和Cl-离子(半径=0.181nm)的位置，(b) 6个Cl-离子包围1个Na+离子形成一个八面体第1节 陶瓷材料的晶体结构五 ZnS的晶体结构图8.8 ZnS晶体结构很多半导体化合物如:CaS, InAs, InSb ZnSe都具有ZnS的晶体结构第1节 陶瓷材料的晶体结构六 CaF2的晶体结构图8.9 CaF2的晶体结构 第1节 陶瓷材料的晶体结构七 刚玉(Al2O3)的晶体结构图8.9 Al2O3的晶体结构 第1节 陶瓷材料的晶体结构八 钙太矿结构图8.9 钙钛矿结构

4、 陶瓷材料中的晶格缺陷一 点缺陷第1节 陶瓷材料的晶体结构一 点缺陷 ( Frankel & Schottky 缺陷)图8.9 CaF2的晶体结构 第1节 陶瓷材料的晶体结构一 点缺陷第1节 陶瓷材料的晶体结构一 点缺陷图8.9 CaF2的晶体结构 第2节 陶瓷的生产工艺过程陶瓷的生产过程陶瓷的生产过程粉末 混料 成型 脱成型剂 烧结 第2节 陶瓷的生产工艺过程 烧结烧结 烧结过程示意图第2节 陶瓷的生产工艺过程 陶瓷材料的组织结构陶瓷材料的组织结构晶体相: 陶瓷材料的主体, Al2O3, ZrO2玻璃相: 通常是陶瓷的连接相, MgO气相: 一般是残留物, 它也是影响陶瓷材料性能的因

5、素第3节 陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料相对来说是比较脆的,而且其力学性能变化范围较大一一 陶瓷材料的变形机制陶瓷材料的变形机制 NaCl晶体中两个不同滑移系示意图第3节 陶瓷材料的力学性能二 影响陶瓷材料强度的因素1.空隙: 陶瓷中空隙是产生应力集中的地方2.裂纹: 也是影响陶瓷强度的一个重要因素3.温度与环境: 温度与环境也是影响陶瓷材料的因素第3节 陶瓷材料的力学性能二 陶瓷空隙度对材料性能的影响第3节 陶瓷材料的力学性能三 陶瓷材料的增韧途径 相变增韧:利用ZrO2增韧陶瓷,是通过四方相ZrO2(t- ZrO2)转变成单斜相ZrO2(m- ZrO2)时,即马氏体相变来实现的.t-ZrO2

6、 m- ZrO2 这一相变过程伴随着35%的体积变化如: YSZ陶瓷, ZTA陶瓷第3节 陶瓷材料的力学性能 相变增韧第3节 陶瓷材料的力学性能 微裂纹增韧部分稳定陶瓷在由四方相向单斜相转变时, 由于体积膨胀而导致产生微裂纹, 而这些微裂纹并非是集中在某一定的方向,而是非常细小分布在不同的方向,这样的微裂纹就可起到吸收能量的作用,使陶瓷增韧.第3节 陶瓷材料的力学性能 刚度高，硬度高刚度高，硬度高 因陶瓷材料的结合键非常牢固，弹性模量高，故其具因陶瓷材料的结合键非常牢固，弹性模量高，故其具有很高的有很高的 刚度刚度。又因陶瓷材料含有大量高硬度的化合物。又因陶瓷材料含有大量高硬度的化合物组分，所

7、以具有高硬度和优良的耐磨性。组分，所以具有高硬度和优良的耐磨性。 塑性差，韧性差塑性差，韧性差 陶瓷为硬脆材料，塑性韧性均很低，极易发生脆性断陶瓷为硬脆材料，塑性韧性均很低，极易发生脆性断裂。裂。 强度强度 陶瓷材料有陶瓷材料有高的抗弯、抗压强度高的抗弯、抗压强度，但因受其组织成分，但因受其组织成分各种缺陷的影响，抗拉强度不高。提高陶瓷材料的致密各种缺陷的影响，抗拉强度不高。提高陶瓷材料的致密度，细化晶粒，可以提高陶瓷材料的抗拉强度。度，细化晶粒，可以提高陶瓷材料的抗拉强度。第3节 陶瓷材料的力学性能ZrO2含量的影响0200400600800100005101520ZrO2, Vol%抗弯强

8、度,MNm-20102030405060708090100冲击韧性，Jm-2抗弯强度冲击韧性第3节 陶瓷材料的力学性能012345678900.51ZrO2含量， Vol%断裂韧性，MNm3/2四方相立方相第3节 陶瓷材料的力学性能ZrO2含量的影响0200400600800100005101520ZrO2, Vol%抗弯强度,MNm-20102030405060708090100冲击韧性，Jm-2抗弯强度冲击韧性第3节 陶瓷材料的力学性能第3节 陶瓷材料的力学性能第3节 陶瓷材料的力学性能第3节 陶瓷材料的力学性能第4节 陶瓷材料的物理性能热性能热性能 陶瓷材料的熔点高陶瓷材料的熔点高，热膨

9、胀系数低，具，热膨胀系数低，具有优良的有优良的耐热性耐热性，导，导热性低，是优良的热性低，是优良的绝绝热热材料。陶瓷材料在材料。陶瓷材料在温度骤变时抵抗破坏温度骤变时抵抗破坏的能力低，即的能力低，即热稳定热稳定性性低。低。可做绝热材料可做绝热材料高温材料高温材料第4节 陶瓷材料的物理性质 电性能和光学特性电性能和光学特性 一些陶瓷材料具有优良的一些陶瓷材料具有优良的电性能电性能和和光学特光学特性性，已开发成功多种功能材料，如：压电陶瓷，已开发成功多种功能材料，如：压电陶瓷、半导体陶瓷、红外光学材料、激光材料、光、半导体陶瓷、红外光学材料、激光材料、光导纤维等。导纤维等。 化学性能化学性能 陶瓷

10、的结构很稳定，具有优良的陶瓷的结构很稳定，具有优良的抗氧化性抗氧化性和和不可燃性不可燃性，对酸、碱、盐介质有很高的，对酸、碱、盐介质有很高的抗蚀抗蚀性性，与多种金属熔体也不发生作用，是很好的，与多种金属熔体也不发生作用，是很好的耐蚀材料和坩埚材料。耐蚀材料和坩埚材料。陶瓷材料在机械制造业中的应用举例陶瓷材料在机械制造业中的应用举例 1。氧化铝氧化铝（Al2O3）陶瓷）陶瓷 Al2O3陶瓷俗称刚玉，是应用最广的氧化物陶瓷。陶瓷俗称刚玉，是应用最广的氧化物陶瓷。 特性特性：硬度高，耐磨性高，耐高温，耐蚀性好。：硬度高，耐磨性高，耐高温，耐蚀性好。 用途：高速切削刀具（切削温度可达用途：高速切削刀具（切削温度可达1200）、拉丝模、冷挤）、拉丝模、冷挤模、高温炉零件、内燃机火花塞等。模、高温炉零件、内燃机火