《第九章--新型无机非金属材料课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章--新型无机非金属材料课件.ppt（73页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第九章第九章 新型无机非金属材料新型无机非金属材料9.1 概概 述述现代陶瓷（新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高性现代陶瓷（新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷）与传统陶瓷的比较能陶瓷、高技术陶瓷）与传统陶瓷的比较传统陶瓷：传统陶瓷：陶器、瓷器陶器、瓷器陶器陶器：粘土，：粘土，7001000；多孔，脆，强度低。；多孔，脆，强度低。瓷器瓷器：瓷石、高岭土，：瓷石、高岭土，11001300；致密，脆，；致密，脆，强度低。强度低。现代陶瓷现代陶瓷：高纯人工合成高纯人工合成，1300。高致密，。高致密，高强、高韧。高强、高韧。分类分类按成分按成分氧化物陶瓷：氧化物陶瓷：Al2O3、SiO
2、2、ZrO2、BaTiO3、ZrSiO4碳化物陶瓷：碳化物陶瓷：SiC、WC、B4C、TiC，氮化物陶瓷：氮化物陶瓷：Si3N4、AlN、BN、TiN,硼化物陶瓷：硼化物陶瓷：ZrB2、TiB2按性能按性能和用途和用途结构陶瓷：结构零部件，主要使用其力学、热学、化结构陶瓷：结构零部件，主要使用其力学、热学、化学性能，如耐磨、耐高温、抗氧化。学性能，如耐磨、耐高温、抗氧化。功能陶瓷：功能器件，主要使用物理性能，如压电功能陶瓷：功能器件，主要使用物理性能，如压电陶瓷、磁性陶瓷、发光材料。陶瓷、磁性陶瓷、发光材料。生物陶瓷：人工骨、齿，生物相容性。生物陶瓷：人工骨、齿，生物相容性。包括：氧化物、氮化
3、物、碳化物、金属陶瓷包括：氧化物、氮化物、碳化物、金属陶瓷9.1.1 陶瓷的显微结构陶瓷的显微结构n晶体相（结晶相）晶体相（结晶相）n玻璃相玻璃相n气相气相Al2O3陶瓷的显微结构陶瓷的显微结构 1结晶相结晶相 2玻璃相玻璃相 3气相气相 9.1.2 陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点化学键：离子键、共价键。化学键：离子键、共价键。优点：优点：u硬度高，耐磨性好；硬度高，耐磨性好；u熔点高，耐热性好；熔点高，耐热性好；u化学稳定性高，耐蚀性好。化学稳定性高，耐蚀性好。缺点缺点：u塑性变形困难；塑性变形困难；u脆性大；脆性大；u裂纹敏感性强。裂纹敏感性强。致命缺点，脆性大，韧化很重要。致命缺点
4、，脆性大，韧化很重要。9.1.3 陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能9.1.3.1 9.1.3.1 弹性性能弹性性能（1 1）弹性和弹性模量）弹性和弹性模量弹性模量仍可用虎克定律描述：弹性模量仍可用虎克定律描述：=E =E E E原子间距的微小变化所需外力的大小。原子间距的微小变化所需外力的大小。（2 2）温度对）温度对E E的影响的影响温度升高，原子间距增大，温度升高，原子间距增大，弹性模量降低弹性模量降低。热膨胀系数小，弹性模量高。热膨胀系数小，弹性模量高。（3 3）E E与熔点的关系与熔点的关系E E与熔点成正比例关系，与熔点成正比例关系，V Va a原子体积或分子体积。原子体积或分子体积。E
5、与与kTm/Va之间成之间成线性关系线性关系。T Tm m，E E 氧化物氧化物 氮化物氮化物 硼化物硼化物 碳化物碳化物 陶瓷的弹性模量数据陶瓷的弹性模量数据温度对弹性模量的影响温度对弹性模量的影响弹性模量与弹性模量与kTm/Va之间的关系之间的关系（4 4）E E与致密度的关系与致密度的关系随气孔率增加，随气孔率增加，E E急剧下降。急剧下降。即致密度提高，即致密度提高，E E提高。提高。E=E=E EO Oexpexp(-BP)(-BP)P P气孔率气孔率气孔率对气孔率对Al2O3陶瓷弹性模量的影响陶瓷弹性模量的影响 大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属的泊松比大多数陶瓷材料的泊松比都小于金
6、属的泊松比（BeOBeO、MgOMgO除外）除外）一些陶瓷材料在室温下的泊松比一些陶瓷材料在室温下的泊松比9.1.3.2 硬度硬度（1）常温硬度）常温硬度与强度间无对应关系。与强度间无对应关系。测定方式：维氏测定方式：维氏HVHV，显微，显微HmHm，洛氏，洛氏HRHR测试表面应用金刚石研磨膏抛光成镜面。测试表面应用金刚石研磨膏抛光成镜面。一些常用陶瓷材料的硬度值一些常用陶瓷材料的硬度值（2 2）高温硬度）高温硬度用维氏或显微硬度法测定。用维氏或显微硬度法测定。与高温强度有一定对应关与高温强度有一定对应关系，长时保载可显示其蠕变特系，长时保载可显示其蠕变特性，故用于性，故用于表征其高温性能表征
7、其高温性能。（3 3）硬度与其他性能之）硬度与其他性能之间的关系间的关系 E20HVE20HV，常温下成立。，常温下成立。温度升高，温度升高，HVHV下降明显，下降明显，E/HVE/HV随随T T升高而增大。升高而增大。HV/KHV/KICIC：某种程度可表示：某种程度可表示材料的脆性断裂程度。材料的脆性断裂程度。陶瓷的维氏硬度与弹性模量的关系陶瓷的维氏硬度与弹性模量的关系9.1.3.3 强度强度室温强度：只能测到断裂强度室温强度：只能测到断裂强度f f值。值。一般只测一般只测弯曲强度弯曲强度，拉伸强度很少测定，拉伸强度很少测定.（1）组织因素对强度的影响）组织因素对强度的影响陶瓷的缺陷：晶界
8、上：气孔、裂纹、玻璃相陶瓷的缺陷：晶界上：气孔、裂纹、玻璃相 晶内：气孔、孪晶界、层错、位错等晶内：气孔、孪晶界、层错、位错等a、气孔率对强度的影响气孔率对强度的影响强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。Ryskewitsch公式：公式：=0 0exp(-P)P气孔率，气孔率，0 0P=0时的强度，时的强度，常数，在常数，在47之间。之间。当当P=10%时，时，下降到下降到0 0的一半。硬瓷的一半。硬瓷P=3%,陶器陶器P=10%15%。为获得高强度，应制备接近理论密度的为获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔无气孔陶瓷材料。陶瓷材料。一些材料的室温强度一
9、些材料的室温强度 Al2O3的强度与气孔率的关系的强度与气孔率的关系 b、晶粒尺寸对强度的影响、晶粒尺寸对强度的影响符合符合Hall-Patch关系，关系，d减小，强度减小，强度，f f d-1/2。努力获得细晶粒组织，对提高室温强度有利而无害努力获得细晶粒组织，对提高室温强度有利而无害。c、晶界相的性质与厚度，晶粒形状对强度的影响、晶界相的性质与厚度，晶粒形状对强度的影响晶界相：低熔点，但促进致密化。晶界相：低熔点，但促进致密化。晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的作用。作用。玻璃相对强度不利，应尽量减少，可通过热处理使其晶化。
10、玻璃相对强度不利，应尽量减少，可通过热处理使其晶化。晶粒形状：最好为均匀的等轴晶粒。晶粒形状：最好为均匀的等轴晶粒。高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求：高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求：晶粒尺寸小，晶体缺陷少；晶粒尺寸小，晶体缺陷少；晶粒尺寸均匀，等轴；晶粒尺寸均匀，等轴；晶界相含量适当，并尽量减少晶界玻璃相含量；晶界相含量适当，并尽量减少晶界玻璃相含量；减少气孔率，尽量接近理论密度。减少气孔率，尽量接近理论密度。（2）温度对强度的影响）温度对强度的影响陶瓷的最大特点：高温强度比金属高得多。有三区：陶瓷的最大特点：高温强度比金属高得多。有三区：A区：区：T 0.5 Tm，有塑变，有塑变，f f随
11、随T上升明显降低；上升明显降低；C区：区：T继续升高，二维滑移系开动，有交滑移产生，松继续升高，二维滑移系开动，有交滑移产生，松弛了应力集中，弛了应力集中，f f随随T升高而上升。升高而上升。陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图从中可从中可得最高使用得最高使用温度（在温度（在f f明显降低前明显降低前的温度）。的温度）。温度对陶瓷材料强度的影响温度对陶瓷材料强度的影响9.1.3.4、断裂韧性、断裂韧性用线弹性断裂力学来描述其断裂行为。用线弹性断裂力学来描述其断裂行为。评介参数：评介参数：KIC金属的金属的KIC比陶瓷高比陶瓷高12个数量级个数量级。实际应用中
12、，应设法大幅提高和改善陶瓷的实际应用中，应设法大幅提高和改善陶瓷的韧性。韧性。一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较 9.1.4 陶瓷的韧化陶瓷的韧化 n 自自增增韧韧陶陶瓷瓷：烧烧结结或或热热处处理理使使其其内内部部自自生生出出增韧相。增韧相。n 外加第二相增韧外加第二相增韧：纤维、晶粒、颗粒：纤维、晶粒、颗粒（1）ZrO2同素异构转变及相变韧化的概念同素异构转变及相变韧化的概念 ZrO2同素异构转变：同素异构转变：液相（液相（L）立方相（立方相（c）正方相（正方相（t）单斜相（单斜相（m）其中其中tm转变转变时将产生时将产生3%5%的体积膨胀，的体积膨胀，属属M相变相
13、变。相变韧化相变韧化：将：将ZrO2的的tm相变相变Ms点稳定到比室温稍低，点稳定到比室温稍低，而而Md(形变形变M点点)点比室温高，使其在承载时点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生由应力诱发产生tm相变相变，由于相变产生的，由于相变产生的体积效应体积效应和和形状效应形状效应而吸收大量的而吸收大量的能量，从而表现异常能量，从而表现异常高的韧性。高的韧性。9.1.4.1 相变韧化相变韧化立方相（立方相（c）正方相（正方相（t）单斜相（单斜相（m）（2）PSZ、TZP和和FSZ为使为使tm相变稳定相变稳定在室温承载时在室温承载时发生，必须发生，必须加入稳定剂加入稳定剂（Y2O3），使），使ZrO
14、2可分别获得可分别获得t+m双相，双相，c+t双相，双相，c+t+m三相，三相，纯纯t相或纯相或纯c相组织。只有相组织。只有纯纯m相无相变韧化相无相变韧化。PSZ(Partially Stabilized Zirconia)部分稳定化氧化锆：部分稳定化氧化锆：t+m，c+t，c+t+m三相均三相均含有亚稳含有亚稳t相相的复相组织，可产生的复相组织，可产生tm相相变韧化效应。变韧化效应。TZP(Tetrayunal Zirconia Polycrystal)正方相氧化锆多晶：正方相氧化锆多晶：纯纯t相。相。FSZ(Fully Stabilized Zirconia)全稳定氧化锆：纯全稳定氧化锆：
15、纯c相。相。当稳定剂含量较低，快冷至当稳定剂含量较低，快冷至c+tc+t双相区等温时效，可析出双相区等温时效，可析出t t相，也会产生相，也会产生tmtm相变韧化作用。相变韧化作用。（3 3）ZrOZrO2 2基陶瓷基陶瓷tmtm相变的晶粒尺寸效应相变的晶粒尺寸效应t t相的稳定性随晶粒直径的减小而增大（相的稳定性随晶粒直径的减小而增大（MsMs点随点随dd而而），），d,Msd,Ms点点,t,t相的稳定性相的稳定性。tmtm转变临界晶粒尺寸转变临界晶粒尺寸d dc c：ddddc c，室温下室温下t t已转变为已转变为m m；ddddc c，有可能产生相变韧化有可能产生相变韧化。应力诱发应力
16、诱发tmtm相变的临界粒径相变的临界粒径d di i：d di iddddc c的晶粒才会发生应力诱发相变的晶粒才会发生应力诱发相变；dddddm m，相变时相变时诱发了显微裂纹诱发了显微裂纹。d dc cddddm m：不足以诱发显微裂纹，但不足以诱发显微裂纹，但m m相周围有残余应力相周围有残余应力。这种这种显微裂纹显微裂纹与与残余应力残余应力均会均会产生韧化作用产生韧化作用。d di iddc cddddm m，引起显微裂纹。对引起显微裂纹。对某某一粒径有一最佳一粒径有一最佳ZrOZrO2 2含量含量（1.25m,15%,6.4m,4%1.25m,15%,6.4m,4%）,即此时即此时Z
17、rOZrO2 2粒子转变诱发显微裂粒子转变诱发显微裂纹的密度较高，又不相互连接纹的密度较高，又不相互连接。当当ZrOZrO2 2含量过高时，显微裂含量过高时，显微裂纹相互连接而使纹相互连接而使K KICIC下降。下降。还可看出，随还可看出，随d,d,临界临界ZrOZrO2 2含量（临界裂纹密度）含量（临界裂纹密度），大，大d d诱发的裂纹尺寸大，易连接形诱发的裂纹尺寸大，易连接形成危险裂纹。成危险裂纹。f fZrOZrO2 2图说明，图说明，显微裂纹显微裂纹增韧不强化增韧不强化。ZrOZrO2 2含量及粒径对含量及粒径对AlAl2 2O O3 3+ZrO+ZrO2 2陶瓷韧性的影响陶瓷韧性的影
18、响c)c)残余应力韧化残余应力韧化：d dc cddddddm m：显微裂纹韧化显微裂纹韧化d dc cddddm m：残余应力韧化残余应力韧化d di iddddc c：相变韧化相变韧化ddd di i：不产生韧化作用不产生韧化作用 t+m双相并有显微裂纹组织的韧性为双相并有显微裂纹组织的韧性为KIC(t+m)=KICO+KICT+KICM+KICS不同尺寸晶粒的韧化机理不同尺寸晶粒的韧化机理ZrO2-Y2O3陶瓷：陶瓷：Y2O3的摩尔分数的摩尔分数=2%，韧性最佳。，韧性最佳。Y2O3的摩尔分数的摩尔分数2%，c相多，相多，t相少，相变增韧相少，相变增韧效果也不显著。效果也不显著。Y-PS
19、Z的断裂韧性与的断裂韧性与xY2O3的关系的关系（5 5）相变增韧其它基体陶瓷）相变增韧其它基体陶瓷ZrOZrO2 2的的tmtm相变韧化作用及其派生的显微裂纹韧化及残余应力相变韧化作用及其派生的显微裂纹韧化及残余应力韧化作用引入韧化作用引入AlAl2 2O O3 3、SiSi3 3N N4 4等基体，可使韧性得到显著等基体，可使韧性得到显著。例：例：a a、ZrOZrO2 2增韧增韧AlAl2 2O O3 3基体复合材料：基体复合材料：ZrOZrO2 2含量约含量约10%10%，K KICIC及及f f均提高均提高。热压热压Al2O3-ZrO2(2Y)陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能韧化效果来自
20、于韧化效果来自于基体晶粒细化；基体晶粒细化；tmtm相变韧化；相变韧化；显微裂纹韧化；显微裂纹韧化；裂纹转向与分叉裂纹转向与分叉韧化。韧化。ZrO2+Al2O3 陶瓷中陶瓷中ZrO2粒子诱发微裂纹粒子诱发微裂纹及主裂纹遇及主裂纹遇ZrO2粒子转向粒子转向b b、ZrOZrO2 2增韧莫莱石复合材料：增韧莫莱石复合材料：c c、ZrOZrO2 2增韧增韧SiSi3 3N N4 4复合材料：复合材料：ZrOZrO2 2相变增韧与增强同时存在。相变增韧与增强同时存在。ZrO2增韧莫来石及增韧莫来石及Si3N4复合材料的性能复合材料的性能9.1.4.2 9.1.4.2 纤维韧化纤维韧化纤维韧化（纤维增
21、强）：纤维韧化（纤维增强）：定向或取向或无序排布的纤维加定向或取向或无序排布的纤维加入，均使陶瓷基复合材料韧性显著提高，同时强度和抗热震性入，均使陶瓷基复合材料韧性显著提高，同时强度和抗热震性也有显著提高。也有显著提高。（1 1）单向排布长纤维增韧）单向排布长纤维增韧特点特点：具有各向异性具有各向异性，纵向性能大大高于横向性能。，纵向性能大大高于横向性能。应用应用：单轴应力单轴应力的场合。的场合。机理机理：纤维拔出机理：纤维拔出机理：纤纤维阻碍裂纹扩展，须增维阻碍裂纹扩展，须增大应力大应力使纤维拔出直至使纤维拔出直至纤维断裂而使韧性提高纤维断裂而使韧性提高。裂纹转向机理裂纹转向机理：纤维的断裂
22、并非在同一裂纹平面。主裂纹沿纤维的断裂并非在同一裂纹平面。主裂纹沿纤维断裂位置的不同发生纤维断裂位置的不同发生裂纹转向裂纹转向，使裂纹扩展路径曲折而使，使裂纹扩展路径曲折而使裂纹表面积增加，而使裂纹扩展阻力增加，使韧性进一步提高。裂纹表面积增加，而使裂纹扩展阻力增加，使韧性进一步提高。断裂韧性可表示为：断裂韧性可表示为：K KICIC =K=KICOICO+KKICfICfp p+KKICffICff=K=KICOICO+(+(W Wfpfp+W Wffff)K KICIC 复合材料的断裂韧性；复合材料的断裂韧性；K KICOICO 基体的断裂韧性；基体的断裂韧性；KKICfICfp p 纤维
23、拔出产生的断裂韧性增量；纤维拔出产生的断裂韧性增量；KKICffICff纤维断裂产生的断裂韧性增量。纤维断裂产生的断裂韧性增量。Cf/Si3N4复合材料断口侧面形貌复合材料断口侧面形貌（2 2）多维多向排布纤维增韧）多维多向排布纤维增韧包括包括：二维多向排布或编织纤维增韧陶瓷基复合材二维多向排布或编织纤维增韧陶瓷基复合材料；二维多向编织纤维增韧陶瓷基复合材料料；二维多向编织纤维增韧陶瓷基复合材料用于用于：在二维和三维方向上均要求有高于性能的场：在二维和三维方向上均要求有高于性能的场合，如宇航飞行器防热部件。合，如宇航飞行器防热部件。缺点缺点：制备工艺复杂，需专用设备，工艺技术难度：制备工艺复杂
24、，需专用设备，工艺技术难度大，质量不易控制，成本高。大，质量不易控制，成本高。9.1.4.3 9.1.4.3 短纤维、晶须及颗粒韧化短纤维、晶须及颗粒韧化（1 1）短纤维增韧陶瓷基复合材料）短纤维增韧陶瓷基复合材料制备工艺制备工艺：将：将长纤维剪（切）短长纤维剪（切）短（3mm3mm）,分散并与基体粉分散并与基体粉末混合均匀，用热压烧结方法制成末混合均匀，用热压烧结方法制成复合材料。复合材料。特点特点：沿加压面上的性能优于垂直加压面上的性能沿加压面上的性能优于垂直加压面上的性能。冷压成型或热压烧结时，原无序随机取向的短纤维沿压力方冷压成型或热压烧结时，原无序随机取向的短纤维沿压力方向转动，沿加
25、压面择优取向。向转动，沿加压面择优取向。若挤压成型，可使短纤维定向排布。若挤压成型，可使短纤维定向排布。C纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中的纤维分布纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中的纤维分布C纤维增强纤维增强Pyrex玻璃中纤维的定向排布玻璃中纤维的定向排布加入纤维使复合加入纤维使复合材料断裂功（材料断裂功（W W）提）提高；高；定向排布可在高定向排布可在高纤维体积分数时得到纤维体积分数时得到更高的更高的W W；无序分布时，则无序分布时，则有极大值。有极大值。C纤维含量对纤维含量对C纤维增韧玻璃陶瓷复合材料断裂功的影响纤维增韧玻璃陶瓷复合材料断裂功的影响（2 2）晶须增韧陶瓷基复合材料）晶须增韧陶瓷基复合
26、材料陶瓷晶须陶瓷晶须：具有一定长径比：具有一定长径比(0.31m，L 30100m)，缺陷很少的陶瓷小单晶缺陷很少的陶瓷小单晶，具有很高的强度，常用的有，具有很高的强度，常用的有SiCSiC晶晶须，须，SiSi3 3N N4 4晶须，晶须，AlAl2 2O O3 3晶须等。晶须等。制备工艺制备工艺：直接与基体粉末混合均匀，再热压烧结直接与基体粉末混合均匀，再热压烧结。ZrO2(Y2O3)+SiC复合材料的力学性能复合材料的力学性能SiCSiCW W增韧增韧AlAl2 2O O3 3基复合材料的力学性能：基复合材料的力学性能：f f、K KICIC均随均随SiCSiCW W含量增加而提高；含量增
27、加而提高；SiCSiCW W含量达含量达30%30%时，时，f f600MPa,K600MPa,KICIC7MPam7MPam1/21/2。ZrOZrO2 2的的K KICIC较较AlAl2 2O O3 3高得多。高得多。Al2O3+SiC复合材料的力学性能复合材料的力学性能强韧化机理强韧化机理：与纤维增韧大体相同，靠与纤维增韧大体相同，靠晶须的拔出桥连晶须的拔出桥连与裂纹转向机制与裂纹转向机制。对拔出桥连机制：晶须拔出长度临界值对拔出桥连机制：晶须拔出长度临界值l lpopo若晶须某一端距主裂纹距离若晶须某一端距主裂纹距离llllpopo ，则拔出；则拔出；若晶须两端距主裂纹距离若晶须两端距
28、主裂纹距离llllpopo ，则晶须先断裂再拔出。则晶须先断裂再拔出。纤维与基体界面强度对韧化机制及韧化效果的影响：纤维与基体界面强度对韧化机制及韧化效果的影响：界面强度过高界面强度过高：晶须将于基体一体断裂，限制晶须的拔：晶须将于基体一体断裂，限制晶须的拔出，减小拔出机制对韧性的贡献，但提高强化效果。出，减小拔出机制对韧性的贡献，但提高强化效果。界面强度过低界面强度过低：减小晶须拔出功，对韧和强化都不利。：减小晶须拔出功，对韧和强化都不利。界面强度应有一个最佳值界面强度应有一个最佳值。晶须拔出桥连及裂晶须拔出桥连及裂纹转向的纹转向的SEM照片照片（3 3）颗粒增韧陶瓷基复合材料）颗粒增韧陶瓷
29、基复合材料工艺工艺：与晶须相同与晶须相同性能性能：增韧效果不如晶须与纤维，但仍有一定增韧效果，同：增韧效果不如晶须与纤维，但仍有一定增韧效果，同时提高高温强度、高温蠕变性能。时提高高温强度、高温蠕变性能。常用常用：SiCSiC、TiCTiC颗粒增韧颗粒增韧AlAl2 2O O3 3、SiSi3 3N N4 4基体，制刀具。基体，制刀具。SiCSiCP P增韧增韧SiSi3 3N N4 4，SiCSiCP P 5%5%时，时，f f 及及K KICIC均达峰值。均达峰值。机理机理：细化基体晶粒，裂纹转向与分叉。：细化基体晶粒，裂纹转向与分叉。SiC颗粒含量对颗粒含量对SiCP/Si3N4复合复合
30、材料性能的影响材料性能的影响（4 4）晶须与颗粒）晶须与颗粒复合增韧陶瓷材料复合增韧陶瓷材料SiCSiCW W（晶须）与晶须）与ZrOZrO2 2（颗粒）复合增韧：颗粒）复合增韧：机理机理：SiCSiCW W拔出桥连拔出桥连与裂纹转向机制，与裂纹转向机制，ZrOZrO2 2相变韧化机制共同作用。相变韧化机制共同作用。例例：ZrOZrO2 2+SiC+SiCW W复合增复合增韧韧AlAl2 2O O3 3基体材料，基体材料，在在20%SiC20%SiCW W和和30%ZrO30%ZrO2 2（Y Y2 2O O3 3）时，复合材料时，复合材料的的G Gf f达达1200Mpa1200Mpa，K
31、KICIC达达10 MPam10 MPam1/21/2以上。以上。SiCW与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性(a)、(b)：Al2O3+ZrO220%(Y2O3)+SiCw(c)、(d)：Al2O3+SiCw+ZrO2(Y2O3)ZrOZrO2 2+SiC+SiCW W增韧莫莱石：增韧莫莱石：由由224452551224452551580 580 K KICIC由由2.84.45.42.84.45.46.76.7SiCSiCW W与与SiCSiCP P复合韧化复合韧化机理机理：晶须：晶须：拔出桥连与裂纹转向拔出桥连与裂纹转向 颗粒：颗粒：细化晶粒，裂纹转向与
32、分叉细化晶粒，裂纹转向与分叉优点优点：颗粒取代晶须，：颗粒取代晶须，致密度致密度。SiCW增韧莫来石及增韧莫来石及Si3N4复合材料的强度与韧性复合材料的强度与韧性9.2 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化物氧化物熔点熔点/密度密度/103kgm-3抗拉抗拉强强度度/MPa抗抗压压强强度度/MPa弹弹性模量性模量/103 MPa抗氧抗氧化性化性热稳热稳定性定性抗磨抗磨蚀蚀能力能力Al2O320503.982552943375中等中等 高高高高MgO28003.58981373210中等中等低低中等中等ZrO227155.701472060169中等中等低低高高BeO25703.0098785304中等
33、中等高高中等中等ThO230509.69981472137中等中等低低高高常见氧化物陶瓷的性能常见氧化物陶瓷的性能 原子结合：以离子键为主，存在部分共价键。原子结合：以离子键为主，存在部分共价键。熔点大多在熔点大多在2000以上，烧成温度在以上，烧成温度在1800左右。左右。强度随温度的升高而降低，但是强度随温度的升高而降低，但是1000以下一直保持较高的以下一直保持较高的强度强度。9.2.1 氧化铝（刚玉）陶瓷氧化铝（刚玉）陶瓷 有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3。-Al2O3属于立方尖晶石型结构，高温下不
34、稳定，在属于立方尖晶石型结构，高温下不稳定，在1600转变为转变为-Al2O3。-Al2O3在高温下十分稳定，在达到熔点在高温下十分稳定，在达到熔点2050之前之前没有晶型转变。没有晶型转变。工业上所指的氧化铝陶瓷一般是指工业上所指的氧化铝陶瓷一般是指以以-Al2O3为主晶为主晶相的相的陶瓷原料。陶瓷原料。-Al2O3属于六方晶系，晶胞结构中属于六方晶系，晶胞结构中O2-排成密排六方结构，排成密排六方结构，Al3+占据间隙位置，单胞的晶格常数占据间隙位置，单胞的晶格常数a=0.512nm，=5517，氧原子和铝原子的密置层系按氧原子和铝原子的密置层系按ABABAB的方式堆积。的方式堆积。在自然
35、界中存在含少量在自然界中存在含少量Cr、Fe和和Ti 的氧化铝，根据含杂质的氧化铝，根据含杂质的多少，氧化铝可呈红色（如红宝石）或蓝色（如蓝宝石）。的多少，氧化铝可呈红色（如红宝石）或蓝色（如蓝宝石）。实际生产中，氧化铝陶瓷按实际生产中，氧化铝陶瓷按Al2O3含量可分为含量可分为75、95和和99等等几种瓷。几种瓷。其中含量超过其中含量超过99%的称为刚玉瓷或纯刚玉。的称为刚玉瓷或纯刚玉。-Al2O3的晶体结构的晶体结构-Al2O3的特性：的特性：密度密度：3.964.01g/cm3；莫氏硬度莫氏硬度：9（仅次于金刚石）；（仅次于金刚石）；红硬性红硬性：达：达1200；熔点熔点：2050，抗氧
36、化、热稳定性好。，抗氧化、热稳定性好。电阻率高、导热率低、介电损耗小。电阻率高、导热率低、介电损耗小。用途：用途：要求高硬度的要求高硬度的各类工具各类工具，如切削淬火钢刀具、磨料、，如切削淬火钢刀具、磨料、磨轮、金属拔丝模、轴承、人造宝石等。磨轮、金属拔丝模、轴承、人造宝石等。耐火材料耐火材料，如刚玉耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉，如刚玉耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等。炉管、热电偶套管等。电绝缘材料和绝热材料，如电路基板、管座、火花电绝缘材料和绝热材料，如电路基板、管座、火花塞等。塞等。高温耐火结构材料，如空压机泵零件。高温耐火结构材料，如空压机泵零件。9.2.2 氧化锆陶瓷氧化
37、锆陶瓷 ZrO2晶体有三种结构：单斜相（晶体有三种结构：单斜相（m），正方相），正方相（t），立方相（），立方相（c）。密度分别为）。密度分别为5.65 g/cm3、6.10g/cm3、6.27 g/cm3。tm：冷却，：冷却，1000；体积膨胀；体积膨胀；mt：加热，：加热，1200；体积收缩；体积收缩；防止相变分裂加入的稳定剂：防止相变分裂加入的稳定剂：MgO、CaO、Y2O3、CeO2和其他稀土氧化物和其他稀土氧化物。特性：特性：耐火度高，比热小、导热系数小；高温时抗耐火度高，比热小、导热系数小；高温时抗酸性和中性熔融金属的浸蚀。酸性和中性熔融金属的浸蚀。强度高、断裂韧性和抗冲击性能高；
38、强度高、断裂韧性和抗冲击性能高；有氧离子传导特性。有氧离子传导特性。用途：用途：高温隔热材料高温隔热材料，如高温炉内衬，耐热涂层、，如高温炉内衬，耐热涂层、反应堆绝热材料；反应堆绝热材料；铂、锗等金属的冶炼铂、锗等金属的冶炼坩埚坩埚；氧气传感器；氧气传感器；增韧添加剂增韧添加剂。9.2.3 氧化镁陶瓷氧化镁陶瓷 氧化镁晶格中离子堆积紧密，离子排列对称性高，晶格氧化镁晶格中离子堆积紧密，离子排列对称性高，晶格缺陷少，难以烧结。缺陷少，难以烧结。为了改善烧结性能须加入添加剂，为了改善烧结性能须加入添加剂，CaF、B2O3、TiO2等等可以与可以与MgO形成低共熔点液相促进烧结。形成低共熔点液相促进
39、烧结。MgO陶瓷多数采陶瓷多数采用注浆法生产。用注浆法生产。氧化镁陶瓷的导热率略大于氧化镁陶瓷的导热率略大于Al2O3，但热膨胀系数特别，但热膨胀系数特别大，而抗折强度又比较小，故抗热震性能不是很好。但在高大，而抗折强度又比较小，故抗热震性能不是很好。但在高温时的抗压强度高，能经受较大载荷。温时的抗压强度高，能经受较大载荷。MgO陶瓷对碱性熔渣有较强的抗侵蚀能力，与镁、镍、陶瓷对碱性熔渣有较强的抗侵蚀能力，与镁、镍、铀、钍、锌、铝、钼、铁、铜、铂等不起化学作用，可用于铀、钍、锌、铝、钼、铁、铜、铂等不起化学作用，可用于制备熔炼金属的坩埚、浇注金属的模子、高温热电偶的保护制备熔炼金属的坩埚、浇注
40、金属的模子、高温热电偶的保护管，高温炉的内衬材料。管，高温炉的内衬材料。缺点：热稳定性差，缺点：热稳定性差，MgO在高温下易被还原成金属镁，在高温下易被还原成金属镁，在空气中，特别是在潮湿空气中，极易水化，形成氢氧化镁。在空气中，特别是在潮湿空气中，极易水化，形成氢氧化镁。如果采用如果采用MgO电熔作原料，水化问题可得到解决。电熔作原料，水化问题可得到解决。以氧化镁为基料的大部分陶瓷材料都作为耐火材料使用。以氧化镁为基料的大部分陶瓷材料都作为耐火材料使用。9.2.4 氧化铍陶瓷氧化铍陶瓷氧化铍晶体属六方晶系，在熔点以下无同质异构转氧化铍晶体属六方晶系，在熔点以下无同质异构转变。变。特点：耐热性
41、极好，因而具有很高的热稳定性；虽特点：耐热性极好，因而具有很高的热稳定性；虽然其强度性能不高，但抗热冲击性较高；消散高能辐射然其强度性能不高，但抗热冲击性较高；消散高能辐射的能力强、阻尼系数大；导电率很低，介电常数很高。的能力强、阻尼系数大；导电率很低，介电常数很高。应用：制造坩埚，还可用作真空陶瓷和原子反应堆应用：制造坩埚，还可用作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等；在高温时是最好的绝缘材料。陶瓷等；在高温时是最好的绝缘材料。另外，气体激光管、晶体管散热片和集成电路的基另外，气体激光管、晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等也多用该种陶瓷制造。片和外壳等也多用该种陶瓷制造。9.3 碳化物陶瓷碳化物陶瓷
42、 原子结合原子结合：较强的共价键结合。：较强的共价键结合。优点：优点：熔点高熔点高：3000；硬度大硬度大：近于金刚石；：近于金刚石；机械强度高、化学稳定性好。机械强度高、化学稳定性好。良好的电导率和热导率。良好的电导率和热导率。包括：碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、碳化铌、包括：碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等 9.3.1 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 有两种晶型，即有两种晶型，即-SiC和和-SiC。-SiC属于纤锌矿结构的六方晶系，高温稳定的晶型。属于纤锌矿结构的六方晶系，高温稳定的晶型。-S
43、iC属于闪锌矿结构，面心立方结构中，碳处于结点属于闪锌矿结构，面心立方结构中，碳处于结点位置，硅位于另一套面心立方点阵位置上，低温稳定的晶型。位置，硅位于另一套面心立方点阵位置上，低温稳定的晶型。二者晶体结构的基本单元都是碳硅四面体，四面体中心二者晶体结构的基本单元都是碳硅四面体，四面体中心有一个硅原子，顶角共有有一个硅原子，顶角共有4个碳原子。个碳原子。-SiC和和-SiC的晶体结的晶体结 特性：特性：n外观外观：无色透明，含有碳、铁、硅等质，呈浅绿色或黑色。：无色透明，含有碳、铁、硅等质，呈浅绿色或黑色。n密度密度：3.2103kgm-3；n弯曲强度和抗弯强度弯曲强度和抗弯强度：200MP
44、a250MPa和和1000MPa 1500MPa；n硬度硬度：莫氏：莫氏9.29.5，显微硬度为，显微硬度为3400MPa，仅次于金刚石、，仅次于金刚石、立方氮化硼和立方氮化硼和B4C等少数几种物质。等少数几种物质。n热导率很高，而热膨胀系数很小，具有优异的高温强度和抗热导率很高，而热膨胀系数很小，具有优异的高温强度和抗高温蠕变能力，热压高温蠕变能力，热压SiC陶瓷在陶瓷在1600的高温抗弯强度基本和的高温抗弯强度基本和室温相同；但在室温相同；但在9001300时会慢慢氧化。时会慢慢氧化。nSiC陶瓷没有熔点，在常压下陶瓷没有熔点，在常压下2500时发生分解。时发生分解。n抗热震性好。抗热震性
45、好。n具有负温度系数特点，即温度升高，电阻率下降，通常用于具有负温度系数特点，即温度升高，电阻率下降，通常用于加热元件。加热元件。应用：应用：n1400以上最有价值的高温结构陶瓷，高温燃气轮机高温以上最有价值的高温结构陶瓷，高温燃气轮机高温部件提高使用性能的重要侯选材料。部件提高使用性能的重要侯选材料。n氧化物、氮化物结合碳化硅材料：已经大规模地用于冶金、氧化物、氮化物结合碳化硅材料：已经大规模地用于冶金、轻工、机械、建材、环保、能源等领域的轻工、机械、建材、环保、能源等领域的炉膛结构材料炉膛结构材料、隔焰板隔焰板、炉管炉管、炉膛，以及各种窑具制品中。、炉膛，以及各种窑具制品中。n碳化硅材料制
46、备的发热元件正逐步成为碳化硅材料制备的发热元件正逐步成为1600以下氧化气以下氧化气氛加热的主要元件；氛加热的主要元件；n耐酸、耐碱泵的密封环；耐酸、耐碱泵的密封环；n火箭尾气喷管、高效热交换器。火箭尾气喷管、高效热交换器。9.3.2 碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷 碳化硼碳化硼B4C具有低密度，高的中子吸收截面等独特性能，具有低密度，高的中子吸收截面等独特性能，因此它是碳化物陶瓷中较重要的材料。因此它是碳化物陶瓷中较重要的材料。碳化硼的晶体结构以斜方六面体为主。碳化硼的晶体结构以斜方六面体为主。每个晶胞中含有每个晶胞中含有15个原子，在斜方六面体的角上分布着硼个原子，在斜方六面体的角上分布着硼的正二十
47、面体，在最长的对角线上有三个硼原子，碳原子很容的正二十面体，在最长的对角线上有三个硼原子，碳原子很容易取代这三个硼原子的全部或部分，从而形成一系列不同化学易取代这三个硼原子的全部或部分，从而形成一系列不同化学计量比的化合物。计量比的化合物。当碳原子取代了当碳原子取代了3个硼原子时，形成严格化学计量比的碳化个硼原子时，形成严格化学计量比的碳化硼硼(B4C)，当碳原子取代，当碳原子取代2个硼原子时，形成个硼原子时，形成B12C2等；因此，碳等；因此，碳化硼化硼(B4C)是由相互间以共价键相联的是由相互间以共价键相联的12个原子个原子(B11C)组成的组成的20面体群以及面体群以及20面体之间的面体
48、之间的C-B-C原子链构成，而原子链构成，而B13C2是由是由B11C组成的二十面体和组成的二十面体和B-B-C链构成。链构成。由于由于B、C原子在原子在20面体及其面体及其之间的原子链内的相互取代，使之间的原子链内的相互取代，使得碳化硼的含碳量可以在一个范得碳化硼的含碳量可以在一个范围（围（8.8220wt%）内变化。）内变化。碳化硼的晶体结构碳化硼的晶体结构 性能特点：高熔点（约性能特点：高熔点（约2450）、低比重（理论密度）、低比重（理论密度2.52g/cm3），其密度仅是钢的），其密度仅是钢的1/3；低热膨胀系数；低热膨胀系数（2.65.8）10-6-1）；高导热性（）；高导热性（1
49、00时的导热率为时的导热率为0.29W/cm）；高硬度和高耐磨性，其硬度仅低于金刚石）；高硬度和高耐磨性，其硬度仅低于金刚石和立方和立方BN，较高的强度和一定的断裂韧性，热压的抗弯强，较高的强度和一定的断裂韧性，热压的抗弯强度为度为400600MPa，断裂韧性为，断裂韧性为6.0MPam1/2。具有较大的热电动势具有较大的热电动势(100V/K)，是高温，是高温P型半导体。型半导体。随着随着B4C中碳含量的减少，可从中碳含量的减少，可从P型半导体转变成型半导体转变成N型半导体，型半导体，具有高的中子吸收截面。具有高的中子吸收截面。碳化硼陶瓷的硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点高碳化硼陶瓷的硬度
50、极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点高达达2450左右，但在高温下会快速氧化，并且与热或熔融黑左右，但在高温下会快速氧化，并且与热或熔融黑色金属发生反应，因此其使用温度限定在色金属发生反应，因此其使用温度限定在980以下。以下。用途：作磨料，有时用于超硬质工具材料。还可以制作用途：作磨料，有时用于超硬质工具材料。还可以制作各种耐磨零件（如喷沙嘴、拉丝模、切削刀具、高温耐蚀轴各种耐磨零件（如喷沙嘴、拉丝模、切削刀具、高温耐蚀轴承等）、热电偶元件、高温半导体、宇宙飞船上的热电转化承等）、热电偶元件、高温半导体、宇宙飞船上的热电转化装置、防弹装甲、反应堆控制棒与屏蔽材料等。装置、防弹装甲、反应堆控制棒与屏