《第2讲 材料的组成、结构与性能(3)无机非金属材料(陶瓷.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2讲 材料的组成、结构与性能(3)无机非金属材料(陶瓷.ppt（28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、Northeastern University第第2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能无机非金属材料无机非金属材料（陶瓷及精细陶瓷）（陶瓷及精细陶瓷）材材 料料 概概 论论 李李 阳阳东北大学东北大学2006 年年 11 月月Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料，主要区别：陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料，主要区别：金属：金属键金属：金属键高分子：共价键（主价键）高分子：共价键（主价键）+范德华力（次价键）范德华力（
2、次价键）陶瓷：离子键和共价键。陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷普通陶瓷：天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。：天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。工程陶瓷工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。Northeastern University材料概论
3、：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 一、一、陶瓷材料的结构和显微组织陶瓷材料的结构和显微组织1 结构特点结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。为主要结合键。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。如如“六方氮化硼六方氮化硼”为松散的绝缘材料；为松散的绝缘材料；“立方结构立方结构”是超硬材料是超硬材料2 显微组织显微组织晶体相，玻璃相，气相晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布）影响材料的力
4、学性能。晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布）影响材料的力学性能。（可通过热处理改善材料的力学性能可通过热处理改善材料的力学性能）陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 二、二、陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能1 陶瓷材料的弹性变形陶瓷材料的弹性变形（1）弹性模量大，是金属材料的）弹性模量大，是金属材料的2倍以上倍以上共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。晶体结构复杂，滑移系很少，位
5、错运动困难。（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量，结构不均匀性：缺陷性模量，结构不均匀性：缺陷（3）气孔率）气孔率，弹性模量，弹性模量陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 2 陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料的塑性变形（1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。（2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）（3）陶瓷的超塑性）陶瓷的超塑性超
6、细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。1250，3.510-2 S-1应变速率应变速率=400%。利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 3 陶瓷材料的断裂陶瓷材料的断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，裂纹扩展，瞬时脆断。以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，裂纹扩展，瞬时脆断。缺陷的存在是概率性的缺陷的存在是概率性的用韦伯分布
7、函数表示材料断裂用韦伯分布函数表示材料断裂陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 4 陶瓷材料强度和硬度陶瓷材料强度和硬度陶瓷的实际强度比其理论值小陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。个数量级。（1）弯曲强度）弯曲强度：三点弯曲、四点弯曲：四点弯曲试样工作部分缺：三点弯曲、四点弯曲：四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大，强度比三点的低。陷存在的几率较大，强度比三点的低。（2）抗拉强度）抗拉强度：夹持部位易断裂（加橡胶垫），常用弯曲强度代：夹持部位易断裂（加橡胶垫），常用弯曲强度代之，高
8、之，高20%40%。（3）抗压强度）抗压强度：比抗拉强度高得多，：比抗拉强度高得多，10倍左右。倍左右。（4）硬度高）硬度高：HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。小负荷的维氏硬度或努氏硬度。陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 5 陶瓷材料的断裂韧性陶瓷材料的断裂韧性陶瓷材料的断裂韧性比金属的低陶瓷材料的断裂韧性比金属的低12个数量级个数量级测定方法：单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。测定方法：单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。陶瓷材料的增韧：
9、陶瓷材料的增韧：（1）改善组织（细密、纯、匀）改善组织（细密、纯、匀）（2）相变增韧）相变增韧（3）微裂纹增韧）微裂纹增韧陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 6 陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度（1）静态疲劳）静态疲劳对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂“温度、应力、环境介质温度、应力、环境介质”孕育区孕育区（低于应力强度因子门槛值）（低于应力强度因子门槛值）低速区低速区 da/dt随随K而而中速区中速区 da/dt仅与环境介质有关，与仅与环境
10、介质有关，与K无关无关高速区高速区 da/dt随随K而呈指数关系而呈指数关系陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 （2）动态疲劳）动态疲劳类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。（3）循环疲劳）循环疲劳疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。陶瓷材料是脆性材料。陶瓷材料是脆性材料。（4）热疲劳：）热疲劳：低周疲劳低周疲劳金属的疲劳寿命通常用循环周次表示。金属的疲劳寿命通常用循环周次表示。陶瓷材料的疲劳寿命则用断
11、裂时间表示。陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示。陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 1 耐磨性耐磨性：是耐磨材料的一个发展方向。：是耐磨材料的一个发展方向。2 抗热震性（热冲击）抗热震性（热冲击）（1）抗热震断裂参数）抗热震断裂参数R（2）抗热震损伤抗热震损伤气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。反复加热冷却产生的弹性变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂反复加热冷却产生的弹性变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力）。纹扩展的动力）。
12、提高热震损伤抗力，需使用弹性模量大，强度低的材料。提高热震损伤抗力，需使用弹性模量大，强度低的材料。三、三、陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能陶瓷材料陶瓷材料Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 精细陶瓷精细陶瓷 一一般般认认为为：采采用用高高度度精精选选原原料料、具具有有精精确确的的化化学学组组成成、按按照照便便于于进进行行结结构构设设计计及及控控制制的的制制造造方方法法进进行行制制造造加加工工的的、具具有有优优异异特性的陶瓷称精细陶瓷。特性的陶瓷称精细陶瓷。Northeastern Universi
13、ty材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 一、精细陶瓷的主要特点一、精细陶瓷的主要特点（）产品原料全都是在原子、分子水平上分离、精制的高纯度的人造（）产品原料全都是在原子、分子水平上分离、精制的高纯度的人造原料。原料。（）在制备工艺上，精细陶瓷要有精密的成型工艺，制品的成型与烧（）在制备工艺上，精细陶瓷要有精密的成型工艺，制品的成型与烧结等加工过程均需精确的控制。结等加工过程均需精确的控制。（）产品具有完全可控制的显微结构，以确保产品应用于高技术领域。（）产品具有完全可控制的显微结构，以确保产品应用于高技术领域。精细陶瓷具有多种特殊的性质，如高强度、
14、高硬度、耐磨耐蚀，同精细陶瓷具有多种特殊的性质，如高强度、高硬度、耐磨耐蚀，同时在磁、电、热、声光、生物工程等各方面有特殊功能，因而使其在高时在磁、电、热、声光、生物工程等各方面有特殊功能，因而使其在高温、机械、电子、计算机、航天、医学工程各方面得到广泛应用。温、机械、电子、计算机、航天、医学工程各方面得到广泛应用。精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 1.结构陶瓷结构陶瓷(1)耐高温、高强度、耐磨损陶瓷耐高温、高强度、耐磨损陶瓷 (2)耐高温、高强度、高韧性陶瓷耐高温、高强度、高韧性陶瓷
15、 (3)耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷 (4)生物陶瓷生物陶瓷二、精细陶瓷的分类二、精细陶瓷的分类2.功能陶瓷功能陶瓷(1)导电陶瓷导电陶瓷(2)介电陶瓷介电陶瓷 (3)压电陶瓷压电陶瓷 (4)半导体陶瓷半导体陶瓷精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 三、三、精细陶瓷的制备工艺精细陶瓷的制备工艺1.精细陶瓷的粉体制备精细陶瓷的粉体制备 精细陶瓷的粉体制备方法一般可分为机械法和合成法两种。精细陶瓷的粉体制备方法一般可分为机械法和合成法两种。机械法机械法采用机械粉碎方式将机械
16、能转化为颗粒的表面能，使粗颗粒破碎为细粉。采用机械粉碎方式将机械能转化为颗粒的表面能，使粗颗粒破碎为细粉。合成法合成法由由离离子子、原原子子、分分子子通通过过反反应应、成成核核和和成成长长、收收集集、后后处处理理等等手手段段获获得得微微细细粉粉末末。这这种种方方法法的的特特点点是是纯纯度度、粒粒度度可可控控，均均匀匀性性好好，颗颗粒粒细细微微，并可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。并可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 2.精细陶瓷成型方法精细陶
17、瓷成型方法（1）粉料成型法：包括钢模压制，等静压制。）粉料成型法：包括钢模压制，等静压制。（2）浆料成型方法）浆料成型方法（3）可塑成型方法）可塑成型方法（4）注射成型方法）注射成型方法 精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 3.精细陶瓷的烧结方法精细陶瓷的烧结方法 烧烧结结的的实实质质是是粉粉末末坯坯块块在在适适当当环环境境或或气气氛氛中中受受热热，通通过过一一系系列列物物理理、化化学学变变化化，使使粉粉末末颗颗粒粒间间的的粘粘结结发发生生质质的的变变化化，坯坯块块强强度度和和密密度度迅
18、迅速速增增加加，其其它它物物理理、力力学学性性能能也也得得到到明明显显的的改改善善。精精细细陶陶瓷瓷常常用用的的烧烧结结方方法法如下：如下：（1）普通烧结）普通烧结 （2）热压烧结）热压烧结 （3）其其它它烧烧结结方方法法：电电场场烧烧结结、超超高高压压烧烧结结、活活化化烧烧结结、反反应应烧烧结结、自蔓延高温合成（自蔓延高温合成（SHS）致密化致密化 精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 1.高温结构陶瓷高温结构陶瓷四、精细陶瓷举例四、精细陶瓷举例 氮氮化化硅硅可可用用多多种种方方法法合合
19、成成，工工业业上上普普遍遍采采用用高高纯纯硅硅与纯氮在与纯氮在1300反应后获得。反应后获得。3Si+2N2 Si3N4精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 也也可可用用化化学学气气相相沉沉积积法法，使使SiCl4和和N2在在H2气气氛氛保保护护下下反反应应，产产物物沉积在石墨基体上。形成一层致密的层。此法得到的氮化硅纯度较高：沉积在石墨基体上。形成一层致密的层。此法得到的氮化硅纯度较高：3 SiCl4+2 N2+6 H2 Si3N4+12HCl精细陶瓷精细陶瓷Nor
20、theastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 2.高熔点氧化物陶瓷高熔点氧化物陶瓷 高熔点氧化物陶瓷通常是指高熔点氧化物陶瓷通常是指熔点超过熔点超过SiO2熔点（熔点（1728）的）的氧化物，大致有氧化物，大致有60多种，其中最多种，其中最常用的有常用的有Al2O3、ZrO2、MgO、BeO、CaO和和SiO2等六种。等六种。这些氧化物在高温下具有优这些氧化物在高温下具有优良的力学性能，耐化学腐蚀，特良的力学性能，耐化学腐蚀，特别是具有优良的抗氧化性，好的别是具有优良的抗氧化性，好的电绝缘性，所以得到广泛的应用。电绝缘
21、性，所以得到广泛的应用。精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 2、透明陶瓷、透明陶瓷透明陶瓷透明陶瓷精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 二、光导纤维二、光导纤维 高高纯纯度度的的二二氧氧化化硅硅或或称称石石英英玻玻璃璃熔熔融融体体中中，拉拉出
22、出直直径径约约 100m 的细丝，称为石英玻璃纤维。的细丝，称为石英玻璃纤维。精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 3.生物陶瓷生物陶瓷精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 四、电子陶瓷四、电子陶瓷 4.导电陶瓷、介电陶瓷、导电陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组
23、成、结构与性能 5.金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷是由金属和陶瓷性非金属组成的烧结材料。广义的金属陶瓷金属陶瓷是由金属和陶瓷性非金属组成的烧结材料。广义的金属陶瓷包括难熔化合物合金、硬质合金、弥散型核燃料元件和控制棒材料、包括难熔化合物合金、硬质合金、弥散型核燃料元件和控制棒材料、金属粘结的金刚石工具材料等。狭义的金属陶瓷是指难熔化合物钛、金属粘结的金刚石工具材料等。狭义的金属陶瓷是指难熔化合物钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钨、钼等和碳、硼、氮、硅等形成的化合锆、铪、钒、铌、钽、铬、钨、钼等和碳、硼、氮、硅等形成的化合物与金属的烧结材料。物与金属的烧结材料。金属陶瓷既有陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀等特
24、性，又具有金属所金属陶瓷既有陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀等特性，又具有金属所有的韧性、耐冲击性和易加工性能，所以广泛被用来制作工件的耐磨、有的韧性、耐冲击性和易加工性能，所以广泛被用来制作工件的耐磨、耐蚀、耐高温表层，还可用作一些特殊用途。耐蚀、耐高温表层，还可用作一些特殊用途。例如，用高温烧结的多层多孔的碳化钛，由于在高温烧结过程其表面例如，用高温烧结的多层多孔的碳化钛，由于在高温烧结过程其表面形成了氧化钛膜，使其耐高温的熔点温度高达形成了氧化钛膜，使其耐高温的熔点温度高达3000摄氏度，因此可作摄氏度，因此可作为耐高温材料以及用来制作过滤器和光催化材料；高分子聚合金属陶为耐高温材料以及用来
25、制作过滤器和光催化材料；高分子聚合金属陶瓷的应用涉及船舶、海洋工程、石油、化工、冶金、机械、电力、水瓷的应用涉及船舶、海洋工程、石油、化工、冶金、机械、电力、水利、矿山、航空以及军事装备等领域；利、矿山、航空以及军事装备等领域；TiN、TiC金属陶瓷刀具具有优金属陶瓷刀具具有优良的力学性能，是一种高技术含量和高附加值的刀具。良的力学性能，是一种高技术含量和高附加值的刀具。精细陶瓷精细陶瓷Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 6.超导陶瓷超导陶瓷精细陶瓷精细陶瓷 中中、美美科科学学家家发发现现Y-Ba-Cu
26、O混混合合金金属属氧氧化化物物在在90K具具有有超超导导电电性性，这这类类超超导导氧氧化化物物的的转转变变温温度度已已高高于于液液氮氮温温度度（77K），高高温温超导材料研究获得重大进展。超导材料研究获得重大进展。目目前前新新的的超超导导氧氧化化物物系系列列不不断断涌涌现现，如如 Bi-Ca-CuO，Ti-Ba-Ca-CuO等等，它它们们的的超超导导转转变变温温度度超超过过了了120K。Northeastern University材料概论：材料概论：第第2 2讲讲 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能 7.其它精细陶瓷其它精细陶瓷（1）可贮存核废料的陶瓷）可贮存核废料的陶瓷（2）对）对CO2具有高吸收能力的锂硅酸盐具有高吸收能力的锂硅酸盐（3）超塑性陶瓷）超塑性陶瓷（4）抗菌抗霉陶瓷）抗菌抗霉陶瓷（5）超塑性陶瓷）超塑性陶瓷 精细陶瓷精细陶瓷