第五章+陶瓷材料的连接课件1

第五章陶瓷材料的连接主要内容陶瓷材料的性能特点陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的连接方法1.陶瓷材料概论

1.1陶瓷的概念第一节陶瓷材料的性能特点陶瓷的英文名为Ceramic，起源于希腊语Keramos(意为陶器)陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机非金属材料。特种陶瓷普通陶瓷陶瓷日用陶瓷（包括艺术陈列陶瓷）建筑卫生陶瓷化工陶瓷化学瓷电瓷及其他工业用陶瓷1.2陶瓷的分类按陶瓷概念和用途来分类结构陶瓷功能陶瓷结构陶瓷，是指那些利用其高强度、高硬度、良好的耐磨性等力学性能及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特性，作为结构部件使用的陶瓷材料。功能陶瓷，是指那些利用其电、磁、声、光、电、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或是多种性质来实现某种使用功能的特种陶瓷。结构陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷

氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷

氧化铍氮化物

碳化物陶瓷

功能陶瓷装置瓷

电容器陶瓷

高铝瓷

镁质瓷非铁电电容器陶瓷反铁电电容器陶瓷铁电电容器陶瓷压电陶瓷

磁性瓷导电陶瓷和超导陶瓷

其他功能陶瓷

特种陶瓷与传统陶瓷区别物质结构：指组成材料的化学键和晶体结构显微结构：指在显微镜下看到的结构陶瓷具有多相多晶体结构：由晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)所组成1.3

陶瓷材料的结构（1）晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。晶相的性质：①结合键是离子键、共价键、混合键陶瓷晶相具有牢固结合键的性质，是陶瓷材料具有高熔点、高耐热性、高硬度、高耐蚀性和无塑性的根本原因氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。共价键离子键α-石英870℃α-鳞石英1470℃α-方石英1713℃熔融SiO2573℃β-石英163℃β-鳞石英117℃γ-鳞石英180~270℃β－方石英急冷加热石英玻璃SiO2的同素异构转变②有些晶相存在同素异构转变，同一种化合物能够获得不同的晶体结构③

晶粒越细，强韧性越高细晶强化是提高陶瓷材料强韧性的有效措施晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶粒平均尺寸为200μm时，抗弯强度为74MPa，1.8μm时抗弯强度可高达570MPa。④主晶相的性质是决定陶瓷性能的主要因素

玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的非晶态物质。（2）玻璃相玻璃相的作用将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大填充气孔。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为5~10%，要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。（3）气相气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达60％。氧化锆陶瓷缺陷2.结构陶瓷的性能特点(1)

线胀系数比金属低，大约10-5~10-6K铜：17.7×10-6K铝：23×10-6K铁：11.76×10-6K镁：24.3×10-6K

随气孔率增加，陶瓷的热胀系数降低。(2)

熔点比金属高得多，一般在2000℃以上铜：1083℃铝：660℃铁：1538℃镁：650℃

故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。2.1物理性能(3)

导电性大多数是良好的绝缘体也有一些半导体，如NiO、Fe3O4等(4)

导热性导热性差，大多为良好的绝热体

λ=10-2~10-5W/m·K随气孔率增加，陶瓷的热导率降低(5)

有些陶瓷具有特殊的光学性能红宝石（α-Al2O3掺铬离子）、钇铝石榴石、含钕玻璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻材料。(6)

磁性磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁带、磁头等。2.2化学性能

化学稳定性高原因：金属原子被非金属原子包围，受到非金属原子的屏蔽，因而形成极为稳定的化学结构。表现：抗氧化(不再与介质中的氧发生作用，甚至在1000℃的高温下也不会氧化)

抗腐蚀(具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐蚀，以及抵抗熔融金属腐蚀的能力)2.3力学性能(1)

硬度硬度是各类材料中最高的，可作为刀具材料使用高聚物＜20HV淬火钢500~800HV

陶瓷1000~5000HV(2)

强度抗压不抗拉，

(抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级)，抗弯(抗弯强度高)。内部存在微裂纹和气孔等缺陷，是导至陶瓷材料抗拉强度较低的原因：高弹性模量，E=100~400GPa（金属：210）韧性陶瓷硬度压痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹(3)

塑性在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。冲击韧性、断裂韧性低。

KIC

约为金属的1/60~1/100材料KIC/MPa.m1/245钢90球墨铸铁20~40氮化硅陶瓷3.5~5(4)

高温强度高、蠕变抗力高作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用3.几种常用的结构陶瓷氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金属与非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型(A、B表示阳离子)。工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过2000℃，应用最多的是SiO2，Al2O3，ZrO2，MgO，CaO，BeO，ThO2等，以及一些氧化物之间的化合物，如尖晶石等。3.1氧化物陶瓷

以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料晶体结构：

Al2O3目前已知有10种同质异晶体，主要有三种晶型：

α-Al2O3β-Al2O3γ-Al2O3（1）氧化铝陶瓷α-Al2O3的晶体结构氧化铝的结构是O-2排成密排六方结构，Al+3占据间隙位置。根据含杂质的多少，氧化铝呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝宝石)氧化铝陶瓷的性能与用途以基体中所含Al2O3质量分数分类(75瓷，95瓷，99瓷……)随Al2O3的质量分数增加，机械强度，介电常数，导热系数等也提高优点：硬度高、很好的耐磨性、耐蚀性和高温性能缺点：韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管，以及化工行业中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。（2）氧化锆陶瓷研发历史20世纪20年代开始被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材料；1968年，日本松下电器公司开发出氧化锆非线性电阻元件；1973年，美国R.Zechnall制得电解质氧传感器，能正确显示汽车发动机的空气/燃料比，1980年用于钢铁工业；1975年，澳大利亚R.G.Garvie以CaO为稳定剂制得部分稳定的氧化锆，并首次利用陶瓷马氏体相变的增韧相应，提高了其韧性和强度；1982年，日本绝缘子公司和美国Cummins发动机公司共同开发出节能柴油机缸套。ZrO2陶瓷晶型及其转化单斜(m)、四方(t)、立方(c)3种晶系氧化锆陶瓷的应用特点：密度大，硬度高，抗弯强度大,断裂韧性高(已知陶瓷中最高)应用：可用做内燃机气缸内衬、活塞顶等耐磨、耐腐蚀器件模具高温发热体材料，在空气中最高发热温度可达2200℃燃料电池材料等3.2非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的区别：人工制备的烧结需在保护气氛中进行难熔、难烧结（1）氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的优异性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有：1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达800~1000MPa，强度可以一直维持到1200℃不下降。2）热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以抗热震性很好，从室温到1000℃的热冲击不会开裂。3）化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（HF除外）和浓度在30%以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。4）密度低，比重小，仅是钢的2/5，电绝缘性好。氮化硅的晶体结构六方晶系，α、β两种晶型α-Si3N4低温相，1500℃转变为高温相β-Si3N4氮化硅陶瓷的应用用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、电热偶套管、加热炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等，还可用于热交换器、耐火材料等。（2）碳化硅陶瓷两种晶型α-SiC

六方结构β-SiC

面心立方碳化硅陶瓷的性能和用途热导率高，优异的高温强度和高温蠕变高电阻率化学稳定性高性能比氮化硅更好（3）赛隆陶瓷Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的总称塞隆陶瓷的性能塞隆陶瓷的应用高温烧结材料常温和高温下强度高，化学性能稳定优异的抗熔融腐蚀热机材料(发动机针阀)切削材料(热硬性好于Co-WC合金，1000℃以上高速切削)轴承等滑动部件及磨损件(直接烧制成所需尺寸)4.陶瓷材料的制备工艺陶瓷坯料的制备成型釉制备及施釉干燥烧成坯料是指将陶瓷原料经筛选，破碎等工序后进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成型性能的多组分混合物。

坯料的制备过程可大致分为：原料处理、配料、混合制备三部分。4.1陶瓷坯料的制备

（1）原料处理

a、预烧——对原料进行的预先烧制b、精选——对原料进行分离，提纯，除去原料中的各种杂质（尤其含铁杂质），使之在化学组成、矿物组成、颗粒尺寸上更符合原料的质量要求。物理方法：水选、筛选、磁选、超声波选化学方法：溶解法、升华法物理化学方法：电解法、浮选法（2）配料根据制品的化学性能要求、生产工艺确定坯料的组成；根据原料的性质选择合适的原料；根据特定的方法（如成分满足法）确定配方。(3)混合制备a、粉碎粒度分析、比表面测定和X射线衍射技术影响研磨效果的因素：研磨工艺和设备、研磨时间、强度和研磨介质。b、脱水注浆料的含水量为30-35%时才能浇注成型可塑泥料是采用压滤机脱水至含水量为20-25％压制粉料可分为：湿法压制粉料：含水量8％-15％；干法压制粉料：含水量3％-7％脱水操作：压滤脱水法、喷雾干燥技术c、陈腐与练泥（ⅰ）陈腐所谓陈腐就是把泥饼置于避光、空气不流通的室内或密闭容器内，保持一段时间，该工艺也叫困料。因料室内温度应保持在20℃左右，相对湿度要求在80%-90%。坯料在困制过程中，在毛细管的作用下，水分分布渐趋均匀。坯料困制时间越长，水分分布就越均匀，其成型性也就越好。一般困料时间为10天左右。（ⅱ）练泥经过压滤得到的泥饼和困料得到的坯料的组织疏松且不均匀，含有大量的气泡。这样既降低了坯料的可塑性，难以挤压成型，通常采用真空练泥机多次练泥的方法，排除泥饼中的残留空气，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥料组织均匀，改善成形性能，提高干燥强度和成瓷后的机械强度。陶瓷制品的成形，就是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体，并使坯料具有所要的机械强度和一定的致密度。普通成型方法主要有注浆成型、塑制成型与压制成型三种工艺。具体选择何种工艺需要依据最终产品的性质，形状和尺寸。4.2成型

釉是指覆盖在陶瓷坯体表面上的一层很薄的均匀的玻璃态物质。陶瓷坯体表面的釉层，从外观来说，使陶瓷具有平滑而光泽的表面，增加了陶瓷的美观；从机械性能来说，正确配合的釉层可以增加陶瓷的强度与表面硬度，同时还可以使陶瓷的电绝缘性能、抗化学侵蚀性能有所提高。平滑而光泽的表面，不仅增加美观，而且就日用瓷来说，为饮用器皿的洗涤清洁提供了方便条件。4.3釉制备及施釉玻璃形成剂：形成玻璃的主要氧化物在釉层中以多面体的形式相互结合为连续网络，又称为网络形成剂。助熔剂：在釉料熔化过程中能促进高温化学反应，加速高熔点晶体（如SiO2）结构键的断裂和生成低共熔点的化合物。同时还起调整釉层物理化学性质的作用。乳浊剂：它是保证釉层有足够覆盖能力的成分,也就是保证烧成时熔体析出的晶体、气体或分散粒子出现折射率的差别，引起光线散射产生乳浊的化合物。着色剂：使釉层吸收可见光波，从而呈现不同颜色。其他辅助剂：为了提高釉面质量、改善釉层物化性能，控制釉浆性能(如悬浮性、与坯体的粘附性)等而加入。釉层的组成：

釉料在加热过程中将发生一系列复杂的物理化学反应，如脱水、固相反应、碳酸盐和硫酸盐分解、部分原料熔化并生成共熔体、熔融物相互溶解、部分原料挥发和坯釉间的相互反应等。在反应的同时，釉料开始烧结、熔化并在坯体上铺展为光滑釉面。釉层的形成

排除坯体中水分的工艺过程称为“干燥”。干燥的目的：除去坯体中所含的一部分水分，使坯体具有一定的强度；提高坯体吸附釉层能力；缩短烧成周期，提高窑炉的周转率，降低燃料消耗。4.4干燥将陶瓷坯体加热至高温，经过一系列的物理化学变化（如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的析出等），冷却至室温后，坯体的矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定使用性能（如机械强度、致密度、绝缘、耐热等）陶瓷制品，这一工艺过程称为烧成。坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后气孔率接近于零，达到完全致密程度的瓷化