《工程陶瓷》PPT课件.ppt

1、第七章工程蜂窝混合双打，传统蜂窝混合双打主要以天然岩石、矿物、粘土等材料为原料。 另一方面，新型塞拉混合双打以合成人造的的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经过成型、烧结等处理制成具有微细结晶组织的无机材料。 它具有一系列优良的物理、化学和生物性能，其应用范围不能与传统蜂窝混合双打相比。 这种蜂窝混合双打也称为特殊蜂窝混合双打或精细陶瓷。 新型蜂窝混合双打按化学成分主要分为两种：一种是纯氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等。 另一种是碳化物、硼化物、氮化物、硅化物等非氧化物系蜂窝混合双打。 根据其性能和特点，可分为高温陶瓷、超硬质蜂窝混合双打、高固件蜂

2、窝混合双打、半导体蜂窝混合双打。 电解质蜂窝混合双打、磁性蜂窝混合双打、导电陶瓷等。 用于工程结构的蜂窝混合双打称为工程蜂窝混合双打，主要用于高温，也称为高温结构陶瓷。 此类蜂窝混合双打具有高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨、耐烧结等优点，是空间技术、军事技术、核电源、工业及化工装置等领域的重要材料。 工程蜂窝混合双打有很多种，但目前世界上研究最多，最有希望的材料有氯元素化硅元素、碳化硅元素、强化氧化物三种。 工程蜂窝混合双打的主要性能指标：蜂窝混合双打工作表面的耐磨耗性是锰钢的100倍以上，比高铬铸铁的20倍以上的耐磨耗橡胶高数倍到数十倍以上。 陶瓷金属的键强度为300kg/2时，使

3、用温度为500。 使用耐磨陶瓷制造的设备，寿命提高5倍以上，性价比提高3倍以上。 耐磨耗性蜂窝混合双打性能的特征：1.硬度大，一般硬度大于HRA80以上，达到最高92以上的2 .耐磨耗性能极好：至少是普通碳钢200以上，是高铬铸铁的10倍以上，3 .轻量：氧化铝比重一般为3.6左右，碳化硅为2.7左右，氧化锆为6左右4 常用结构陶瓷1、氮化硅元素蜂窝混合双打氮化硅元素蜂窝混合双打是近20年来发展起来的新型工程蜂窝混合双打，与一般硅酸盐蜂窝混合双打不同之处在于氮化硅元素的结合是共价键性质的结合，因此结合力很强， 用绝缘性能好的特征热压工艺可以制备接近理论密度的致密的氮化硅元素蜂窝混合双打，其弯曲

4、强度即使在1400左右的高温下也可达到500600MPa，而用添加剂优化的氮化硅元素蜂窝混合双打1400可维持接近1000MPa的强度。 由于复相增强的氮化硅元素类复合材料，断裂韧性可达到2OllMPam1/2。 以Y2O3La03为添加剂的自我强化氮化硅元素，室温和1350的断裂韧性分别达到4-1213 MPam1/2和2224MPam1/2。 目前，对烧结和气压烧结反应的氮化硅元素材料已经批量生产，在刀具、发动机零配件、密封圈等领域广泛应用的热压制作的氮化硅元素系陶瓷手工工具，切削冷硬铸铁元素时的切削寿命达到硬质合金YG8的30倍。 日本制造的汽车发动机陶瓷宠物已经投入市场，日本也计划研究

5、用新型陶瓷材料制造航空器发动机零配件(包括透平机叶片、喷燃器壁等各种零配件)，该航空器发动机的能量利用率比通常的航空器发动机高出约30%，2， 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷混合双打是一种具有优异高温力学性能的新型结构陶瓷材料，具有热胀冷缩系数小、比重轻(只有重金属的三分之一)、导热率大等特性，热静压碳化硅混合双打样品弯曲强度可达1000 MPa，断裂韧性可达814MPam1/2。 含A1203的无压烧结碳化硅混合双打的弯曲强度达到707MPa，断裂韧性达到1017 MPa m1/2。 SiC蜂窝混合双打的高温蠕变速度很小。 在高温长时间的使用中，SiC蜂窝混合双打稳定且耐氧化性优良，强度难以受到环境(

6、例如氧化)的影响。 SiC耐急冷急热性优异，而且具有优异的高温耐腐蚀性。因此，碳化硅常用于宇宙飞机的燃烧室、火箭喷嘴及轴承、球、聚四氟乙烯板等的制造。 3、碳化硼混合双打碳化硼混合双打具有高硬度、高熔点和低密度、良好的物理性能和优良的耐药性特征，为优良的结构陶瓷，在民生、宇宙航行和军事等领域得到了重要应用。 但是，碳化硼蜂窝混合双打具有2个致命弱点的：碳化硼蜂窝混合双打在断裂韧性低的原子间为牢固的共价键，共价键的含量高达93.9%，因此得到高密度的烧结体非常困难。 碳化硼陶瓷混合双打强化法原位自我强化法和前驱体热分解法是近几年发展起来的陶瓷混合双打材料制备新工艺，具有烧制温度低、杂质少、产物性

7、能优异等优点。 以聚硅烷为代表的热裂化纳米粉强化工艺通过在大粒径B4C之间形成固态溶液，形成粒内纳米结构，加速材料烧结时的溶解堆积过程，促进材料的致密化，同时改善B4C蜂窝混合双打的晶界结构，发挥纳米大头针的作用，具有从组织均匀性到致密化的很大优点， 有希望，4、氧化锆相变强化陶瓷热冲压3Y-Zr02在室温下具有最高的强度和断裂韧性，强度达到1570 MPa，断裂韧性达到1513 MPam1/2，但由于高温下相变作用的消失，性能急剧降低，600强度降低到480MPa，1000降低到212MPa 断裂韧性711 mpam-1/2，1000能够保持610MPa的强度。 强化的基材，除了稳定的氧化锆

8、之外，还常见有氧化铝、氧化金属钍、尖晶石、富铝红柱石等氧化物陶瓷，氮化硅元素和碳化硅元素等非氧化物陶瓷。 国内现在氧化锆结构陶瓷企业的70%是从氧化铝陶瓷行业转化而来的。 国内市场部分稳定作用氧化锆的应用仍处于发展阶段，主要有：光纤连接器及套管、氧化锆磨粉机夹、刀具、纺织及烟草机械夹板等。 其中磨粉机介占了一半以上的市场份额，以满足对耐磨耗性和机械强度要求更高的工作条件。 出现的氧化锆增韧氧化铝陶瓷混合双打(简称ZTA )材料，主要是在氧化铝母相基质中引入一定量的相变材料氧化锆而形成的多相微细陶瓷混合双打材料。 该复相蜂窝混合双打材料不仅表现出氧化锆陶瓷的高韧性和高强度特性，还保留了氧化铝蜂窝

9、混合双打的高硬度优点，并且随着该综合力学性能的提高，耐磨性也得到了很大改善。 由于氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷混合双打强度高，耐高温，绝缘性好，耐腐蚀，且具有良好的机电性能，因此广泛应用于电子、机械、化工。 如果利用其机械强度高、绝缘阻抗大的性能，则可以用作真空去老虎钳、电路基板等，利用其耐高温性，可以用作坩埚、纳金属钍灯等，利用其稳定的化学性能，可以用作生物陶瓷、催化剂载体等。 6、新型层状陶瓷Ti3SiC2 Ti3SiC2是Ti-Si-C系统中唯一的三元化合物，为六方晶系，硅元素原子层由TiC八面体连接构成层状结构，精细结构为纳米片状，该独特的结构赋予了与Ti-Si-C三元系统中其他二元化合物不同

10、的性质， 塞拉混合双打具有抗氧化、耐腐蚀性、耐高温(熔点超过3000 )，其高温强度超过所有高温合金。这些个兼具金属和蜂窝混合双打的优异性能、耐高温和自润滑特性，导热率高，加工方便，云同步良好，抗热震性、耐氧化性和高温稳定性，在高温结构陶瓷、电极材料、可加工蜂窝混合双打材料、自润滑材料等领域有着广阔的应用前景： (1) Ti3SiC2 (2)由于良好的抗热震性和抗氧化，高温下的高屈服极限和塑性，Ti3SiC2在高温结构中的应用具有汽轮机叶片和定子，陶瓷引擎等优势；(3)由于优良的加工性和高温下的高强度，是目前使用的可加工陶瓷MacorTM的优良替代品(4) 7、纳米复合陶瓷晶体内纳米相的形成有

11、利于材料性能的提高，在无论从组织的均匀性还是密度方面都有很大优点的晶粒内产生亚晶界，使沉积基质再微细化而产生增强作用的纳米粉周围的沉积基质形成抗拉应力，从而导致打孔机贯通断裂， 成为打孔机通孔裂纹发生二次偏转、由于残馀应力的产生而使晶粒内被破坏的主要形态的粒内纳米粉，在沉积基质粒子的内部形成亚界面，具有与晶界纳米相同地大头针位错的作用。 新元皓一等人以纳米级陶瓷粒子作为分散相，导入微米级陶瓷基体制作纳米复合陶瓷，获得了较高的增强效果。 碳化物复合蜂窝混合双打微波超高温烧结碳化硼蜂窝混合双打装甲材料高致密的碳化硅/碳化硼复合蜂窝混合双打，即使在弯曲强度为1400C左右的高温下也可达到500600

12、MPa。 公司采用微波增强反应渗透工艺生产的碳化硅/碳化硼复合特种陶瓷混合双打材料具有比重小、高硬度、高模量、耐冲击的特点，适用于新一代陶瓷混合双打装甲。 耐高温、高强度、高韧性陶瓷氧化锆增韧陶瓷混合双打在结构陶瓷研究中取得很大进展，增韧的基体除了稳定的氧化锆之外，还常见氧化铝、氧化金属钍、尖晶石、富铝红柱石等氧化物陶瓷。 该公司利用微波高温设备，能够以更低的成本大量生产各种氧化物特殊结构陶瓷。 耐高温、耐腐蚀性的透明蜂窝混合双打现代电光源的组成对材料的耐高温、耐腐蚀性和透光性有很高的要求，该公司利用微波烧结生产的氧化铝、氮化铝透明蜂窝混合双打材料整体的透光性能和机械性能超过了传统方法生产的产

13、品。 适用于各种高温光学窗、探针、灯。 工程蜂窝混合双打的应用在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能够承受高温和温度的骤变，强度高、轻量且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。 从最初的宇宙飞船开始使用高温和低温的隔热瓦，碳灰水晶复合烧蚀材料成功的发射和回收了人工地球卫星。 未来空间技术的发展依赖于新结构材料的应用，在这方面结构陶瓷，特别是蜂窝混合双打复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。 高科技的应用是在现代战争中获胜的法宝。 在军事工业的发展中，高性能结构陶瓷发挥着重要的作用。 例如先进的亚音速飞机，其成败取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和纤维增强蜂窝混合双打类复合材料的应用。 光通讯产业是目前世界上发展最快的高新技术产业之一。 因此，这种快速发展主要依赖于光纤损耗反应历程的研究和光纤连接器结构材料的使用。用氧化锆增韧陶瓷材料研制光纤接头和套管，性能优良，很好地满足了我国光通讯产业的发展需要。 随着半导体老虎钳的高密度化和大功率化，IC集成电路制造业的发展迫切希望开发出绝缘性好、热传导快的新基板材料。 80年代后半期登场的高烧传导性氮化铝和碳化硅基板材料已经取代了以往的氧化铝基板。 氮化铝-玻璃复合材料的热传导率是氧化铝-玻璃的5-10倍，烧结温度在1000C以内，