陶瓷材料的分類及性能

陶瓷材料的力學性能高分子091 項 淼 學號17陶瓷材料陶瓷、金屬、高分子材料并列為當代三大固體材料之間的主要區(qū)別在于化學鍵不同。金屬：金屬鍵高分子：共價鍵（主價鍵）+范德瓦爾鍵（次價鍵）陶瓷：離子鍵和共價鍵。普通陶瓷，天然粘土為原料，混料成形，燒結(jié)而成。工程陶瓷：高純、超細的人工合成材料，精確控制化學組成。工程陶瓷的性能：耐熱、耐磨、耐腐蝕、絕緣、抗蠕變性能好。硬度高，彈性模量高，塑性韌性差，強度可靠性差。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氮化硼等。一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和顯微組織1、結(jié)構(gòu)特點陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物；以離子鍵和共價鍵為主要結(jié)合鍵?？梢酝ㄟ^改變晶體結(jié)構(gòu)的晶型變化改變其性能。如“六方氮化硼為松散的絕緣材料；立方結(jié)構(gòu)是超硬材料”2、顯微組織晶體相，玻璃相，氣相晶界、夾雜（種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布、影響材料的力學性能。（可通過熱處理改善材料的力學性能）陶瓷的分類 玻璃工業(yè)玻璃(光學，電工，儀表，實驗室用)；建筑玻璃；日用玻璃 陶瓷普通陶瓷-日用，建筑衛(wèi)生，電器（絕緣），化工，多孔 特種陶瓷-電容器，壓電，磁性，電光，高溫 金屬陶瓷-結(jié)構(gòu)陶瓷，工具（硬質(zhì)合金），耐熱，電工 玻璃陶瓷耐熱耐蝕微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，無線電透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷2. 陶瓷的生產(chǎn)(1)原料制備（揀選，破碎，磨細，混合） 普通陶瓷（粘土，石英，長石等天然材料） 特種陶瓷（人工的化學或化工原料- 各種化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注漿成形，壓制成形） (3)燒成或燒結(jié)3. 陶瓷的性能(1)硬度 是各類材料中最高的。 （高聚物20HV，淬火鋼500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)剛度 是各類材料中最高的 （塑料1380MN/m2，鋼MN/m2)(3)強度 理論強度很高（E/10-E/5）；由于晶界的存在，實際強度比理論值低的多。（E/1000-E/100）。耐壓（抗壓強度高），抗彎（抗彎強度高），不耐拉（抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數(shù)量級）較高的高溫強度。(4) 塑性： 在室溫幾乎沒有塑性。(5) 韌性差，脆性大。是陶瓷的最大缺點。(6) 熱膨脹性低。導熱性差，多為較好的絕熱材料（=10-210-5w/mK）(7) 熱穩(wěn)定性抗熱振性（在不同溫度范圍波動時的壽命）急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度。陶瓷的抗熱振性很低（比金屬低的多，日用陶瓷220）(8) 化學穩(wěn)定性：耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕（抗液體金屬、酸、堿、鹽）(9) 導電性大多數(shù)是良好的絕緣體，同時也有不少半導體（NiO，F(xiàn)e3O4等）(10)其它：不可燃燒，高耐熱，不老化，溫度急變抗力低。普通陶瓷一. 傳統(tǒng)陶瓷 原料長石，石英，粘土，高齡土，絹云母，滑石，石灰。加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高強度；加入（Al2O3 ，ZrO2等）提高強度和熱穩(wěn)定性；加入（SiC等）提高導熱性。1. 日用陶瓷 性能要求：白度，光潔度，熱穩(wěn)定性，機械強度，熱穩(wěn)定性 用途：日用器皿，工藝品藝術(shù)品等2. 建筑陶瓷 性能要求：強度，熱穩(wěn)定性 用途：地面，墻壁，管道，衛(wèi)生潔具等.3. 電工陶瓷（高壓瓷） 性能要求：強度，介電性能和熱穩(wěn)定性. 用途：隔電，支持及連接，絕緣器件4. 化工陶瓷 性能要求：耐蝕性. 用途：實驗器皿，耐熱容器，管道，設(shè)備。特種陶瓷1.氧化物陶瓷：Al2O3 高的強度和高溫強度（抗壓2493MN/m2)，高化學穩(wěn)定性和介電性能 以Al2O3為主要成分，含少量SiO2的陶瓷。 根據(jù)Al2O3含量不同，分為75瓷（Al2O3 含量為75%）又稱剛玉-莫來石瓷；95瓷、99瓷，又稱剛玉瓷。 Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，氣孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工藝愈復雜，成本愈高。優(yōu)勢：氧化鋁陶瓷的強度高，是普通陶瓷的26倍，抗拉強度可達250MPa； 耐磨性好，硬度次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5； 耐高溫性能好，剛玉陶瓷可在1600下長期工作，在空氣中的最高使用溫度達1980； 耐蝕性和絕緣性好； 脆性大，抗熱振性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化。用途：工具，高溫爐零件，空壓機泵零件，內(nèi)燃機火花塞，坩堝。微晶剛玉（彎曲強度5000MN/m2 ，HRA92-93 紅硬性1200）-工具,刀具。 BeO 導熱性好（180 kcal/mh），熱穩(wěn)定性較高，消散高能輻射的能力強，強度低（抗壓強度（785MN/m2）用途： 熔化某些純金屬的坩堝，真空陶瓷和原子反應(yīng)堆用陶瓷ZrO2 呈弱酸性或惰性，導熱系數(shù)小1.5-1.7kcal/mh，使用溫度2000-2200，抗壓強度2060MN/m2 MgO CaO 抗各種金屬堿性渣的作用，熱穩(wěn)定性差，MgO高溫易揮發(fā)，CaO在空氣中易水化2.碳化物陶瓷： 碳化硅 彎曲強度200-250MN/m2，抗壓強度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗強堿。 主晶相SiC，有反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種碳化硅陶瓷； 高溫強度高，工作溫度可達16001700 1400時，抗彎強度為500600MPa ； 有很好的導熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性、耐蝕性，且耐輻射； 是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，主要用于制作火箭噴管的噴嘴，澆注金屬的澆道口、熱電偶套管、爐管，燃氣輪葉片，高溫軸承，熱交換器及核燃料包封材料等。用途：加熱元件，石墨的表面保護層，砂輪，磨料 碳化硼硬度高，抗磨，熔點高2450 用途：磨料，超硬質(zhì)工具材料。3. 氮化物陶瓷：氮化硼石墨類型六方結(jié)構(gòu)（白石墨）-介電體和耐火潤滑劑。立方結(jié)構(gòu)（-BN)-極高硬度，抗加熱溫度2000，是金剛石的代用品。 主晶相BN，共價晶體，晶體結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)，有白石墨之稱； 良好的耐熱性和導熱性，熱導率與不銹鋼相當，熱脹系數(shù)比金屬和其它陶瓷低得多，故抗熱振性和熱穩(wěn)定性好； 高溫絕緣性好，2000仍是絕緣體，是理想的高溫絕緣材料和散熱材料； 化學穩(wěn)定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金屬的侵蝕； 硬度較其它陶瓷低，可切削加工； 有自潤滑性，耐磨性好。用途： 氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導體、金屬的坩堝和冶金用高溫容器和管道，高溫軸承，下班制品成型模，高溫絕緣材料；因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒。4. 金屬陶瓷以金屬氧化物或碳化物為主要成分，加入適量的金屬粉末，通過粉末冶金的方法制成的，具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷。金屬陶瓷是金屬切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。粉末冶金方法及其應(yīng)用 金屬材料的制備：熔煉、鑄造高熔點的金屬及金屬化合物難以通過熔煉或鑄造的方法制備粉末冶金：陶瓷生產(chǎn)工藝在冶金中的應(yīng)用粉末制備-壓制成型-燒結(jié)成零件或毛坯粉末冶金法的基本工藝過程. 粉末制備包括粉末制取、配料、粉料混合等步驟。粉末的純度、粒度、混合的均勻程度等對粉末冶金制品的質(zhì)量有重要影響。粉末愈細、愈均勻、純度愈高，陶瓷的性能愈好。2. 壓制成型多采用冷壓法，即將粉料裝入模具型腔內(nèi)，在壓力機下壓制成致密的具有一定強度的坯體。為了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中會加入一定比例的增塑劑，如汽油橡膠溶液、石蠟等。3. 燒結(jié)將壓制成型的坯體放入通過保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行燒結(jié)，在保持至少一種組元仍處于固態(tài)的燒結(jié)溫度下，長時間保溫，通過擴散、再結(jié)晶、化學反應(yīng)等過程，獲得與一般合金相似的組織，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。根據(jù)燒結(jié)過程中有無液相產(chǎn)生，燒結(jié)分為：固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。 固相燒結(jié)：在燒結(jié)時不形成液相。無偏析高速鋼、燒結(jié)鋁（Al-Al2O3）、燒結(jié)鎢、青銅石墨、鐵石墨等 液相燒結(jié)：在燒結(jié)時形成部分液相的液-固共存狀態(tài)。金屬陶瓷硬質(zhì)合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速鋼WC、鉻鉬鋼WC等4. 后處理加工為改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在燒結(jié)后還要進行后處理加工。如齒輪、球面軸承等在燒結(jié)后再進行冷擠壓，以提高其密度、尺寸精度等；鐵基粉末冶金零件進行淬火處理，以提高硬度等等。陶瓷材料的力學性能強度（高溫、低溫、室溫）韌性、硬度、斷裂韌度、疲勞等。一、陶瓷材料的彈性變形、塑性變形與斷裂（圖9-23）（1）彈性A）彈性模量大是金屬材料的2倍以上。共價鍵結(jié)構(gòu)有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯運動的阻力。晶體結(jié)構(gòu)復雜，滑移系很少，位錯運動困難。B）彈性模量呈方向性；壓縮模量高于拉伸彈性模量結(jié)構(gòu)不均勻性；缺陷C）氣孔率，彈性模量（2）塑性變形a）室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小。b）1000以上，大多數(shù)陶瓷材料可發(fā)生塑性變形（主滑移系運動）c）陶瓷的超塑性超細等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在無定形相。1250，3.510-2 S-1應(yīng)變速率=400%。利用陶瓷的超塑性，可以對陶瓷進行超塑加工（包括擴散焊接）（3）斷裂以各種缺陷（表面或內(nèi)部）為裂紋源裂紋擴展，瞬時脆斷。缺陷的存在是概率性的。用韋伯分布函數(shù)表示材料斷裂F()斷裂概率m韋伯模數(shù)0特征應(yīng)力，該應(yīng)力下斷裂概率為0.632、 試樣內(nèi)部的應(yīng)力及它們的最大值二、陶瓷材料強度和硬度陶瓷的實際強度比其理論值小12個數(shù)量級。（1）彎曲強度三點彎曲、四點彎曲四點彎曲試樣工作部分缺陷存在的幾率較大。強度比三點的低。（2）抗拉強度夾持部位易斷裂（加橡膠墊）常用彎曲強度代之，高20%40%。（3）抗壓強度比抗拉強度高得多，10倍左右。（4）硬度高 HRA，AT45N小負荷的維氏硬度或努氏硬度。陶瓷材料的斷裂韌度比金屬的低12個數(shù)量級測定方法（圖）單邊切口法、山形切口法、壓痕法、雙扭法、雙懸臂梁法。KIC值受切口寬度的影響。金屬材料：、KIC；陶瓷材料：、 KIC。 尖端塑性區(qū)很小。陶瓷材料的增韌：（1）改善組織（細密、純、勻）（2）相變增韌（3）微裂紋增韌陶瓷材料的疲勞強度靜態(tài)疲勞，動態(tài)疲勞，循環(huán)疲勞和熱疲勞（1）靜態(tài)疲勞對應(yīng)于金屬材料的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂?！皽囟?、應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)”分成的個區(qū)（圖10-11）孕育區(qū)（低于應(yīng)力強度因子門檻值）低速區(qū)da/dt隨K而中速區(qū)da/dt僅與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)，與K無關(guān)。高速區(qū)da/dt隨K而呈指數(shù)關(guān)系（2）動態(tài)疲勞類似于金屬材料應(yīng)力腐蝕研究中的慢應(yīng)變速率拉伸。（3）循環(huán)疲勞疲勞破壞以慢速龜裂擴展的方式發(fā)生。陶瓷材料是脆性材料。（4）熱疲勞低周疲勞金屬的疲