《工程陶瓷》PPT課件.ppt

1、第七章工程蜂窩混合雙打，傳統(tǒng)蜂窩混合雙打主要以天然巖石、礦物、粘土等材料為原料。 另一方面，新型塞拉混合雙打以合成人造的的高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經(jīng)過成型、燒結(jié)等處理制成具有微細結(jié)晶組織的無機材料。 它具有一系列優(yōu)良的物理、化學和生物性能，其應(yīng)用范圍不能與傳統(tǒng)蜂窩混合雙打相比。 這種蜂窩混合雙打也稱為特殊蜂窩混合雙打或精細陶瓷。 新型蜂窩混合雙打按化學成分主要分為兩種：一種是純氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等。 另一種是碳化物、硼化物、氮化物、硅化物等非氧化物系蜂窩混合雙打。 根據(jù)其性能和特點，可分為高溫陶瓷、超硬質(zhì)蜂窩混合雙打、高固件蜂

2、窩混合雙打、半導(dǎo)體蜂窩混合雙打。 電解質(zhì)蜂窩混合雙打、磁性蜂窩混合雙打、導(dǎo)電陶瓷等。 用于工程結(jié)構(gòu)的蜂窩混合雙打稱為工程蜂窩混合雙打，主要用于高溫，也稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。 此類蜂窩混合雙打具有高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨、耐燒結(jié)等優(yōu)點，是空間技術(shù)、軍事技術(shù)、核電源、工業(yè)及化工裝置等領(lǐng)域的重要材料。 工程蜂窩混合雙打有很多種，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、強化氧化物三種。 工程蜂窩混合雙打的主要性能指標：蜂窩混合雙打工作表面的耐磨耗性是錳鋼的100倍以上，比高鉻鑄鐵的20倍以上的耐磨耗橡膠高數(shù)倍到數(shù)十倍以上。 陶瓷金屬的鍵強度為300kg/2時，使

3、用溫度為500。 使用耐磨陶瓷制造的設(shè)備，壽命提高5倍以上，性價比提高3倍以上。 耐磨耗性蜂窩混合雙打性能的特征：1.硬度大，一般硬度大于HRA80以上，達到最高92以上的2 .耐磨耗性能極好：至少是普通碳鋼200以上，是高鉻鑄鐵的10倍以上，3 .輕量：氧化鋁比重一般為3.6左右，碳化硅為2.7左右，氧化鋯為6左右4 常用結(jié)構(gòu)陶瓷1、氮化硅元素蜂窩混合雙打氮化硅元素蜂窩混合雙打是近20年來發(fā)展起來的新型工程蜂窩混合雙打，與一般硅酸鹽蜂窩混合雙打不同之處在于氮化硅元素的結(jié)合是共價鍵性質(zhì)的結(jié)合，因此結(jié)合力很強， 用絕緣性能好的特征熱壓工藝可以制備接近理論密度的致密的氮化硅元素蜂窩混合雙打，其彎曲

4、強度即使在1400左右的高溫下也可達到500600MPa，而用添加劑優(yōu)化的氮化硅元素蜂窩混合雙打1400可維持接近1000MPa的強度。 由于復(fù)相增強的氮化硅元素類復(fù)合材料，斷裂韌性可達到2OllMPam1/2。 以Y2O3La03為添加劑的自我強化氮化硅元素，室溫和1350的斷裂韌性分別達到4-1213 MPam1/2和2224MPam1/2。 目前，對燒結(jié)和氣壓燒結(jié)反應(yīng)的氮化硅元素材料已經(jīng)批量生產(chǎn)，在刀具、發(fā)動機零配件、密封圈等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的熱壓制作的氮化硅元素系陶瓷手工工具，切削冷硬鑄鐵元素時的切削壽命達到硬質(zhì)合金YG8的30倍。 日本制造的汽車發(fā)動機陶瓷寵物已經(jīng)投入市場，日本也計劃研究

5、用新型陶瓷材料制造航空器發(fā)動機零配件(包括透平機葉片、噴燃器壁等各種零配件)，該航空器發(fā)動機的能量利用率比通常的航空器發(fā)動機高出約30%，2， 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷混合雙打是一種具有優(yōu)異高溫力學性能的新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有熱脹冷縮系數(shù)小、比重輕(只有重金屬的三分之一)、導(dǎo)熱率大等特性，熱靜壓碳化硅混合雙打樣品彎曲強度可達1000 MPa，斷裂韌性可達814MPam1/2。 含A1203的無壓燒結(jié)碳化硅混合雙打的彎曲強度達到707MPa，斷裂韌性達到1017 MPa m1/2。 SiC蜂窩混合雙打的高溫蠕變速度很小。 在高溫長時間的使用中，SiC蜂窩混合雙打穩(wěn)定且耐氧化性優(yōu)良，強度難以受到環(huán)境(

6、例如氧化)的影響。 SiC耐急冷急熱性優(yōu)異，而且具有優(yōu)異的高溫耐腐蝕性。因此，碳化硅常用于宇宙飛機的燃燒室、火箭噴嘴及軸承、球、聚四氟乙烯板等的制造。 3、碳化硼混合雙打碳化硼混合雙打具有高硬度、高熔點和低密度、良好的物理性能和優(yōu)良的耐藥性特征，為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷，在民生、宇宙航行和軍事等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。 但是，碳化硼蜂窩混合雙打具有2個致命弱點的：碳化硼蜂窩混合雙打在斷裂韌性低的原子間為牢固的共價鍵，共價鍵的含量高達93.9%，因此得到高密度的燒結(jié)體非常困難。 碳化硼陶瓷混合雙打強化法原位自我強化法和前驅(qū)體熱分解法是近幾年發(fā)展起來的陶瓷混合雙打材料制備新工藝，具有燒制溫度低、雜質(zhì)少、產(chǎn)物性

7、能優(yōu)異等優(yōu)點。 以聚硅烷為代表的熱裂化納米粉強化工藝通過在大粒徑B4C之間形成固態(tài)溶液，形成粒內(nèi)納米結(jié)構(gòu)，加速材料燒結(jié)時的溶解堆積過程，促進材料的致密化，同時改善B4C蜂窩混合雙打的晶界結(jié)構(gòu)，發(fā)揮納米大頭針的作用，具有從組織均勻性到致密化的很大優(yōu)點， 有希望，4、氧化鋯相變強化陶瓷熱沖壓3Y-Zr02在室溫下具有最高的強度和斷裂韌性，強度達到1570 MPa，斷裂韌性達到1513 MPam1/2，但由于高溫下相變作用的消失，性能急劇降低，600強度降低到480MPa，1000降低到212MPa 斷裂韌性711 mpam-1/2，1000能夠保持610MPa的強度。 強化的基材，除了穩(wěn)定的氧化鋯

8、之外，還常見有氧化鋁、氧化金屬釷、尖晶石、富鋁紅柱石等氧化物陶瓷，氮化硅元素和碳化硅元素等非氧化物陶瓷。 國內(nèi)現(xiàn)在氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷企業(yè)的70%是從氧化鋁陶瓷行業(yè)轉(zhuǎn)化而來的。 國內(nèi)市場部分穩(wěn)定作用氧化鋯的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，主要有：光纖連接器及套管、氧化鋯磨粉機夾、刀具、紡織及煙草機械夾板等。 其中磨粉機介占了一半以上的市場份額，以滿足對耐磨耗性和機械強度要求更高的工作條件。 出現(xiàn)的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷混合雙打(簡稱ZTA )材料，主要是在氧化鋁母相基質(zhì)中引入一定量的相變材料氧化鋯而形成的多相微細陶瓷混合雙打材料。 該復(fù)相蜂窩混合雙打材料不僅表現(xiàn)出氧化鋯陶瓷的高韌性和高強度特性，還保留了氧化鋁蜂窩

9、混合雙打的高硬度優(yōu)點，并且隨著該綜合力學性能的提高，耐磨性也得到了很大改善。 由于氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷混合雙打強度高，耐高溫，絕緣性好，耐腐蝕，且具有良好的機電性能，因此廣泛應(yīng)用于電子、機械、化工。 如果利用其機械強度高、絕緣阻抗大的性能，則可以用作真空去老虎鉗、電路基板等，利用其耐高溫性，可以用作坩堝、納金屬釷燈等，利用其穩(wěn)定的化學性能，可以用作生物陶瓷、催化劑載體等。 6、新型層狀陶瓷Ti3SiC2 Ti3SiC2是Ti-Si-C系統(tǒng)中唯一的三元化合物，為六方晶系，硅元素原子層由TiC八面體連接構(gòu)成層狀結(jié)構(gòu)，精細結(jié)構(gòu)為納米片狀，該獨特的結(jié)構(gòu)賦予了與Ti-Si-C三元系統(tǒng)中其他二元化合物不同

10、的性質(zhì)， 塞拉混合雙打具有抗氧化、耐腐蝕性、耐高溫(熔點超過3000 )，其高溫強度超過所有高溫合金。這些個兼具金屬和蜂窩混合雙打的優(yōu)異性能、耐高溫和自潤滑特性，導(dǎo)熱率高，加工方便，云同步良好，抗熱震性、耐氧化性和高溫穩(wěn)定性，在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電極材料、可加工蜂窩混合雙打材料、自潤滑材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景： (1) Ti3SiC2 (2)由于良好的抗熱震性和抗氧化，高溫下的高屈服極限和塑性，Ti3SiC2在高溫結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有汽輪機葉片和定子，陶瓷引擎等優(yōu)勢；(3)由于優(yōu)良的加工性和高溫下的高強度，是目前使用的可加工陶瓷MacorTM的優(yōu)良替代品(4) 7、納米復(fù)合陶瓷晶體內(nèi)納米相的形成有

11、利于材料性能的提高，在無論從組織的均勻性還是密度方面都有很大優(yōu)點的晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶界，使沉積基質(zhì)再微細化而產(chǎn)生增強作用的納米粉周圍的沉積基質(zhì)形成抗拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致打孔機貫通斷裂， 成為打孔機通孔裂紋發(fā)生二次偏轉(zhuǎn)、由于殘馀應(yīng)力的產(chǎn)生而使晶粒內(nèi)被破壞的主要形態(tài)的粒內(nèi)納米粉，在沉積基質(zhì)粒子的內(nèi)部形成亞界面，具有與晶界納米相同地大頭針位錯的作用。 新元皓一等人以納米級陶瓷粒子作為分散相，導(dǎo)入微米級陶瓷基體制作納米復(fù)合陶瓷，獲得了較高的增強效果。 碳化物復(fù)合蜂窩混合雙打微波超高溫燒結(jié)碳化硼蜂窩混合雙打裝甲材料高致密的碳化硅/碳化硼復(fù)合蜂窩混合雙打，即使在彎曲強度為1400C左右的高溫下也可達到500600

12、MPa。 公司采用微波增強反應(yīng)滲透工藝生產(chǎn)的碳化硅/碳化硼復(fù)合特種陶瓷混合雙打材料具有比重小、高硬度、高模量、耐沖擊的特點，適用于新一代陶瓷混合雙打裝甲。 耐高溫、高強度、高韌性陶瓷氧化鋯增韌陶瓷混合雙打在結(jié)構(gòu)陶瓷研究中取得很大進展，增韌的基體除了穩(wěn)定的氧化鋯之外，還常見氧化鋁、氧化金屬釷、尖晶石、富鋁紅柱石等氧化物陶瓷。 該公司利用微波高溫設(shè)備，能夠以更低的成本大量生產(chǎn)各種氧化物特殊結(jié)構(gòu)陶瓷。 耐高溫、耐腐蝕性的透明蜂窩混合雙打現(xiàn)代電光源的組成對材料的耐高溫、耐腐蝕性和透光性有很高的要求，該公司利用微波燒結(jié)生產(chǎn)的氧化鋁、氮化鋁透明蜂窩混合雙打材料整體的透光性能和機械性能超過了傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的產(chǎn)

13、品。 適用于各種高溫光學窗、探針、燈。 工程蜂窩混合雙打的應(yīng)用在空間技術(shù)領(lǐng)域，制造宇宙飛船需要能夠承受高溫和溫度的驟變，強度高、輕量且長壽的結(jié)構(gòu)材料和防護材料，在這方面，結(jié)構(gòu)陶瓷占有絕對優(yōu)勢。 從最初的宇宙飛船開始使用高溫和低溫的隔熱瓦，碳灰水晶復(fù)合燒蝕材料成功的發(fā)射和回收了人工地球衛(wèi)星。 未來空間技術(shù)的發(fā)展依賴于新結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，在這方面結(jié)構(gòu)陶瓷，特別是蜂窩混合雙打復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料遠遠優(yōu)于其他材料。 高科技的應(yīng)用是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中獲勝的法寶。 在軍事工業(yè)的發(fā)展中，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷發(fā)揮著重要的作用。 例如先進的亞音速飛機，其成敗取決于具有高韌性和高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷和纖維增強蜂窩混合雙打類復(fù)合材料的應(yīng)用。 光通訊產(chǎn)業(yè)是目前世界上發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 因此，這種快速發(fā)展主要依賴于光纖損耗反應(yīng)歷程的研究和光纖連接器結(jié)構(gòu)材料的使用。用氧化鋯增韌陶瓷材料研制光纖接頭和套管，性能優(yōu)良，很好地滿足了我國光通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。 隨著半導(dǎo)體老虎鉗的高密度化和大功率化，IC集成電路制造業(yè)的發(fā)展迫切希望開發(fā)出絕緣性好、熱傳導(dǎo)快的新基板材料。 80年代后半期登場的高燒傳導(dǎo)性氮化鋁和碳化硅基板材料已經(jīng)取代了以往的氧化鋁基板。 氮化鋁-玻璃復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率是氧化鋁-玻璃的5-10倍，燒結(jié)溫度在1000C以內(nèi)，