陶瓷材料與復(fù)合材料

1、第9章其它工程材料教學(xué)基本內(nèi)容：1、軸承合金的分類、成分、性能及應(yīng)用；2、硬質(zhì)合金的分類、成分、性能及應(yīng)用；3、陶瓷的分類、成分、性能及應(yīng)用；4、復(fù)合材料的分類、成分、性能及應(yīng)用；5、高分子材料的分類、成分、性能及應(yīng)用；教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）1、掌握工程塑料的分類、成分、性能及應(yīng)用；2、熟悉硬質(zhì)合金和陶瓷的分類、成分、性能及應(yīng)用;3、了解復(fù)合材料的分類、成分、性能及應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：1、重點(diǎn)：1 ）工程塑料的分類、成分和性能特點(diǎn);2 ）工程塑料的應(yīng)用情況；2、難點(diǎn)：1）工程塑料的顯微組織分析；2）工程陶瓷和復(fù)合材料的特殊性能。教學(xué)方法及手段：1、PPT講解；2、課堂講

2、解。作業(yè)、討論題、思考題：1、試分析工程塑料的分類、性能及其應(yīng)用？2、綜述硬質(zhì)合金、工程陶瓷和復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀?第九章 其它材料第一節(jié) 硬質(zhì)合金一、定義 是用粉末冶金方法制成，即將極細(xì)的金屬粉末或金屬與非金屬粉末 混 合并于模具中加壓成型 ，然后在低于材料熔點(diǎn)的某溫度下 加熱燒結(jié) 而成。 二、分類： 金屬陶瓷硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金。1. 金屬陶瓷硬質(zhì)合金1）成分將一些高硬難熔金屬碳化物粉末（如 WC 、TiC 等）和粘結(jié)劑（ Co、Ni 等）混合加壓成型，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，其與陶結(jié)燒結(jié)成型方法相似。2）特點(diǎn)硬度高（HRC69-81 ）,熱硬性好（可達(dá)（900-1000 C）,故耐磨性優(yōu)良。

3、硬質(zhì)合金刀具的切削速度比高速鋼提高 （4-7） 倍，壽命可提高 （580） 倍。 但硬質(zhì)合金質(zhì)硬性脆，不能進(jìn)行機(jī)械加工，其常制成一定規(guī)格的刀片 鑲焊在刀體上使用。3）應(yīng)用 除作切削刀具外，還廣泛用于模具、量具等耐磨件制造，以及用于采 礦、石油及地質(zhì)鉆探等的釬頭和鉆頭等。4）分類（ 1 ）鎢鈷類 主要牌號有 YG3、YG6、YG8 等，YG 表示鎢鈷類硬質(zhì)合金，后邊的數(shù)字表示鈷的含量的百分?jǐn)?shù)。 特點(diǎn)：合金含鈷多，材料韌性好，但硬度耐磨性降低。（2）鎢鈷鈦類 主要牌號有YT5、YT15、YT30等，該類合金除含有Co和WC夕卜, 還有硬度比 WC 更高的 TiC 硬質(zhì)粉末。Y表示硬質(zhì)合金，T表示含

4、TiC，后面的數(shù)字是TiC的百分含量。 特點(diǎn)：耐磨性高，熱硬性好，但強(qiáng)韌性較低。一般用于制作切削鋼 材的工具。（3）YW 類：該類合金含有TaC，是新型硬質(zhì)合金。TaC使合金熱硬性顯著提高； 該合金適宜切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼和高速鋼等切削性能差的鋼 材的刀具。2. 鋼結(jié)硬質(zhì)合金1）成分硬化相： TiC、WC 等；粘結(jié)劑：各種合金鋼（如高速鋼，鉻鉬鋼）代替了 Co 、Ni ；2）特點(diǎn)退火后可進(jìn)行切削加工，還可進(jìn)行 淬火回火 等工藝處理，可 鍛造和焊 接，具有更好的使用和工藝性能。3）應(yīng)用適用于制造各種 形狀復(fù)雜的刀具 ，如麻花鉆頭、銑刀等，也可制作 高 溫下工作的模具或零件 等。第二節(jié) 陶瓷

5、材料一、陶瓷的分類1、按化學(xué)成分分類：(1) 氧化物陶瓷，如 Al2O3；(2) 碳化物陶瓷，如 SiC；(3) 氮化物陶瓷： 包括 Si3N4；(4) 其他化合物陶瓷。2、按性能和用途分類：(1) 結(jié)構(gòu)陶瓷：用于制造結(jié)構(gòu)零部件，要求有更好的力學(xué)性能；(2) 功能陶瓷：具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，用以制作功能器件。二、陶瓷的性能特點(diǎn)原子結(jié)合： 主要是離子鍵和共價(jià)鍵；性能特點(diǎn)： 強(qiáng)度高、硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小， 且多為絕緣體；塑性、韌性和可加工性較差。1、機(jī)械性能1) 強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多，比值為 10 ：1 左右，高溫強(qiáng)度比金屬高 得多；高溫度時(shí)，強(qiáng)度有一定程度的下降

6、，但其塑性韌性卻大大提高，加 之陶瓷材料優(yōu)異抗氧化性，其可能成為未來高速高溫燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的主要結(jié) 構(gòu)材料。2) 硬度：高硬度、高耐磨性。3) 陶瓷增韌：(1) 增加致密度； (2) 相變增韌(體積效應(yīng)和形狀效應(yīng)) ；(3) 纖 維增韌。2、其它性能1 ）熱性能 ：熔點(diǎn)高、很好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性、但抗熱震性能差。2）電性能 ：好的絕緣材料；但由于雜質(zhì)，某些組元等一系列成分因素 的作用及一些環(huán)境因素的影響，有些陶瓷可以作半導(dǎo)體或壓電材料，或熱 電材料或環(huán)境敏感材料等。3 ）特殊性能 ：陶瓷薄膜具有獨(dú)特的光、電、磁等物理化學(xué)性能?？勺?功能材料。三、常用工業(yè)陶瓷及其應(yīng)用1、普通陶瓷1）成分 是用天然

7、原料制成的粘土類陶瓷，它是以粘土、長石和石英經(jīng)配料， 成型燒結(jié)而成。2）特點(diǎn) 質(zhì)硬，不導(dǎo)電，易于加工成型；但其內(nèi)部含有較多玻璃相，高溫下易 軟化，耐高溫及絕緣性不及特種陶瓷。3）應(yīng)用因其成本低，產(chǎn)量大，廣泛用于工作溫度低于 200 C的酸堿介質(zhì)、容 器、反應(yīng)塔、管道、供電系統(tǒng)的絕緣子和紡織機(jī)械中導(dǎo)紗零件等。 2、特種陶瓷1）氧化鋁陶瓷（1）成分： Al 2O3 + 少量的 SiO2例、75 瓷（含 75% Al 2O3）、95 瓷（含 95% Al 2O3）和 99 瓷（含 99%Al2O3Al2O3 含量越高玻璃相含量越少，氣孔越少，其性能也越好，但此時(shí) 工藝變得復(fù)雜，成本升高。（2）性能耐

8、高溫性好，在氧化性氣氛中，可用到 1950 C,且耐蝕性好；高硬度 及高溫強(qiáng)度（760 C時(shí)HRA87 , 1200 C時(shí)HRA80）;很好的絕緣性能?！叭秉c(diǎn)”是脆性大，不能承受沖擊載荷，抗熱震性差，不適合用于有 溫度急變場合。（3）應(yīng)用高溫器皿；高速切削及難切削材料加工的刃具；耐磨軸承、模具及活 塞、化工用泵和閥門；內(nèi)燃機(jī)火花塞。2 ）其他氧化物陶瓷（ 1 ）MgO 陶瓷是典型的 堿性耐火材料 ，用于冶煉高純度鐵及其合金、銅、鋁、鎂以 及熔化高純鈾、釷及其合金。（2）BeO 陶瓷 性能：在還原性氣中特別穩(wěn)定，其導(dǎo)熱性極好（與鋁相近） ，故抗 熱沖擊性能好；但氧化鈹粉末及蒸氣有劇毒 應(yīng)用：高頻

9、電爐“坩堝” 、高溫絕緣子、激光管、晶體管散熱片、 集成電路基片等。（3）ZrO 2 陶瓷 性能：高強(qiáng)且耐熱性好，導(dǎo)熱率高；室溫下是絕緣體，但在1000 C 以上變?yōu)閷?dǎo)體。 應(yīng)用：用于離子導(dǎo)電材料（電極），傳感及敏感元件及1800 C以上的 高溫發(fā)熱體，還可用于熔煉 Pt、Pd、Rh 等合金的坩堝。3 ）非氧化物工程陶瓷（1 ）氮化硅（ Si3N 4）陶瓷 是目前強(qiáng)度最高的陶瓷，并具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和耐磨 性。 性能：穩(wěn)定性極好，除氫氟酸外能耐各種酸堿腐蝕，可抵抗熔融有 色金屬的侵蝕；氮化硅硬度很高，摩擦系數(shù)?。ㄖ挥?0.10.2 ，相當(dāng)于加油 的金屬表面），耐磨性減摩性好（自潤滑

10、性好） ；很好的抗熱震性。 應(yīng)用：，耐磨材料；耐腐蝕的零件（密封環(huán)，高溫軸承） ；燃?xì)廨啓C(jī) 葉片；冶金容器和管道；精加工刀具。（ 2 ）碳化硅（ SiC ）陶瓷 性能：最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，在1400 C時(shí)抗彎強(qiáng)度仍達(dá)（500-600）MPa ；且其導(dǎo)熱性好，僅次于 BeO 陶瓷，熱穩(wěn)定性耐蝕性耐磨 性也很好。 應(yīng)用：主要可用于制作火箭尾噴管的噴嘴、爐管、熱電偶套管，以 及高溫軸承、高溫?zé)峤粨Q器、密封圈和核燃料的包封材料等。（ 2 ）氮化硼陶瓷A 、六方氮化硼 性能：與石墨結(jié)構(gòu)、性能相似，故又稱“白石墨” ，具有良好的耐 熱導(dǎo)熱性，是理想的散熱和高溫絕緣材料；化學(xué)穩(wěn)定性好，具有極好的自 潤滑性

11、，其硬度較低，可進(jìn)行機(jī)械加工，作成各種結(jié)構(gòu)的零件 應(yīng)用：一般用作熔煉半導(dǎo)體材料坩堝和高溫容器， 半導(dǎo)體散熱絕緣件， 高溫潤滑軸承和玻璃成型模具等。B、立方氮化硼為立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊密，其硬度與金剛石接近，是優(yōu)良的耐磨材料， 常用于制作刀具。第三節(jié) 復(fù)合材料一、定義 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)本質(zhì)不同的組成人工合成的材料。 其結(jié)構(gòu)為多相，一類組成（或相）為基體，起粘結(jié)作用，另一類為增強(qiáng)相。 是一種多相材料，其某些性能比各組成相的性能都好。二、分類1、按結(jié)構(gòu)分： 金屬基復(fù)合材料、 高分子基復(fù)合材料、 陶瓷基復(fù)合材料。2、按性能分：功能復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。3、按增強(qiáng)相分：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維

12、增強(qiáng)復(fù)合材料（玻璃纖維、 碳纖維、硼纖維、 SiC 纖維等）、層狀增強(qiáng)復(fù)合材料。三、特點(diǎn)1、比強(qiáng)度和比模量大； 例如、碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度是鋼的 7 倍，比 彈性模量比鋼大 3 倍。2 、耐疲勞性能比較高； 例如、碳纖維一聚樹脂復(fù)合材料的疲勞極限是抗拉強(qiáng)度的70 80 ，而金屬材料的疲勞極限只有抗拉強(qiáng)度的 40 50 。3、減震性能好；4 、耐高溫性能好； 高溫強(qiáng)度和彈性模量均較高；例如、LC4鋁合金，在400 C時(shí)，彈性模量接近于零，抗拉強(qiáng)度值也 從室溫時(shí)的 500MPa 降至 3050MPa 。而碳纖維或硼纖維增強(qiáng)組成的復(fù)合材料，在400 C時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量可保持接近

13、室溫下的水平。5 、斷裂安全性好； 斷裂時(shí)應(yīng)力迅速重新分布，載荷由未斷裂的纖維承 擔(dān)起來。6、其它性能特點(diǎn) 還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、隔熱性、燒蝕性以及特殊的電、光、磁等性能。7、主要問題 斷裂伸長小，抗沖擊性能尚不夠理想，生產(chǎn)工藝方法中手工操作多，難以自動化生產(chǎn)，間斷式生產(chǎn)周期長，效率低，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn) 定等；成本比其它工程材料高得多。四、應(yīng)用1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：主要應(yīng)用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。2、彌散強(qiáng)化復(fù)合材料： 主要應(yīng)用在原子能工業(yè)等部門，是高頻電子儀器(如大功率行波管)中必不可少的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料。3、碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料( SiCP/Al )： 用于制造大功率汽車

14、發(fā)動機(jī)的柴油機(jī)的活塞、連桿、剎車片等；以及制造火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件、紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)件；理想的精密儀表中高尺 寸穩(wěn)定性材料。4、熱塑性玻璃鋼與熱固性玻璃鋼：工程結(jié)構(gòu)。5、碳纖維 - 樹脂復(fù)合材料：主要應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車工業(yè)及化學(xué)工業(yè)中6、硼纖維 -樹脂復(fù)合材料：主要用于航空航天和軍事工業(yè)7、碳化硅纖維 - 樹脂復(fù)合材料：主要用于航空航天工業(yè)。8、長纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料： 主要應(yīng)用領(lǐng)域是航天航空，先進(jìn)武器和汽車領(lǐng)域，同時(shí)在電子、紡織、 體育等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用潛力。9、鋁基、鎂基復(fù)合材料：主要用作高性能的結(jié)構(gòu)材料；10 、鈦基耐熱合金及金屬間化合物基復(fù)合材料：主要用于制造發(fā)動機(jī) 零件；11 、銅基和鉛基復(fù)合材料：特殊導(dǎo)體和電極材料，在電子行業(yè)和能源 工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。12 、氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料：在汽車制造等行業(yè)獲得廣泛應(yīng) 用。13 、碳化硅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料：是針對航天航空等高技術(shù)領(lǐng)域的 實(shí)際需求而發(fā)開的一類先進(jìn)的復(fù)合材料。14 、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：一般用于航空航天航海和軍事等部 門。15 、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：已用于制造飛機(jī)的支架，加強(qiáng)筋，擋 板和推桿，導(dǎo)彈上的光學(xué)儀器平