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工程材料作业新型陶瓷材料

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新型陶瓷材料 姓名:金津 班级:机械 105 学号:1010012137 摘要:属于新型材料的一种,采用人工合成的高纯度无机化合物为原料,在严格控制 摘要: 的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。

它具有一系 列优越的物理、化学和生物性能,其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的。

关键词:新陶瓷 粉末冶金 发展趋势 关键词: 一、引言 20 世纪后期随着许多新技术(如电子技术、空间技术、激光技术、计算机技 术等)的兴起,以及基础理论(如矿物学、冶金学、物理学等)和测试技术(如电子 显微镜技术、X 射线衍射技术和各种频谱仪等)的发展,人们对材料结构和性能 之间的关系有了深刻认识。

通过控制材料的化学成分和微观组织结构,研制出了 许多具有不同性能的陶瓷材料,如各种功能陶瓷(电子材料、光导纤维、敏感陶 瓷材料)及高温结构陶瓷。

与传统陶瓷材料相比其强度得到了成百上千倍的提高, 再加上陶瓷材料本身具备的优异的耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘等特性,使其在 许多重要领域得到了越来越广泛的应用。

二、陶瓷材料的性能,特点 陶瓷材料的性能, 1、陶瓷材料的结构和显微组织 1.1 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。

如“六方氮化硼为松散的绝 缘材料;立方结构是超硬材料” 1.2 显微组织 晶体相,玻璃相,气相 晶界、夹杂 (种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。

(可通过热处理改善材料的力学性能) 2、陶瓷的性能 (1)硬度 是各类材料中较高的。

(高聚物<20HV,淬火钢 500-800HV,陶瓷 1000-5000HV) (2)刚度 是各类材料中较高的 (塑料 1380MN/m2,钢 207000MN/m2) (3)强度 理论强度很高(E/10--E/5) ;由于晶界的存在,实际强度比理论值低 的多。

(E/1000--E/100) 。

耐压(抗压强度高) ,抗弯(抗弯强度高) ,不耐拉(抗 拉强度很低,比抗压强度低一个数量级)较高的高温强度。

(4) 塑性: 在室温几乎没有塑性。

(5) 韧性差,脆性大。

是陶瓷的最大缺点。

(6) 热膨胀性低。

导热性差,多为较好的绝热材料(λ=10-2~10-5w/m﹒K) (7) 热稳定性—抗热振性(在不同温度范围波动时的寿命)急冷到水中不破裂 所能承受的最高温度。

陶瓷的抗热振性很低(比金属低的多,日用陶瓷 220℃) (8) 化学稳定性:耐高温,耐火,不可燃烧,抗蚀(抗液体金属、酸、碱、盐) (9) 导电性—大多数是良好的绝缘体,同时也有不少半导体(NiO,Fe3O4 等) (10)其它:不可燃烧,高耐热,不老化,温度急变抗力低。

三、陶瓷分类及其工业、机械用途 陶瓷分类及其工业、 普通陶瓷 3.1 传统陶瓷 原料—长石,石英,粘土,高龄土,绢云母,滑石,石灰。

加入(MgO,ZnO,BaO,Cr2O3 等)提高强度;加入(Al2O3 ,ZrO2 等)提 高强度和热稳定性; 加入(SiC 等)提高导热性。

3.1.1 日用陶瓷 性能要求:白度,光洁度,热稳定性,机械强度,热稳定性 用途:日用器皿,工艺品艺术品等 3.1.2 建筑陶瓷 性能要求:强度,热稳定性 用途:地面,墙壁,管道,卫生洁具等. 3.1.3 电工陶瓷(高压瓷) 性能要求:强度,介电性能和热稳定性. 用途:隔电,支持及连接,绝缘器件 3.1.4 化工陶瓷 性能要求:耐蚀性. 用途:实验器皿,耐热容器,管道,设备。

3.2 特种陶瓷 3.2.1 氧化物陶瓷: ※Al2O3 — 高的强度和高温强度(抗压 2493MN/m2),高化学稳定性和介 电性能 • 以 Al2O3 为主要成分,含少量 SiO2 的陶瓷。

• 根据 Al2O3 含量不同,分为 75 瓷(Al2O3 含量为 75%)又称刚玉-莫来石瓷; 95 瓷、99 瓷,又称刚玉瓷。

• Al2O3 含量愈高,玻璃相愈少,气孔愈少,陶瓷的性能愈好,但工艺愈复 杂,成本愈高。

优势:氧化铝陶瓷的强度高,是普通陶瓷的 2~6 倍,抗拉强度可达 250MPa; • 耐磨性好,硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅,居第 5; • 耐高温性能好,刚玉陶瓷可在 1600℃下长期工作,在空气中的最高使用 温度达 1980℃; • 耐蚀性和绝缘性好; • 脆性大,抗热振性差,不能承受环境温度的突然变化。

用途:工具,高温炉零件,空压机泵零件,内燃机火花塞,坩埚。

微晶刚玉 (弯曲强度 5000MN/m2 , HRA92-93 红硬性 1200℃) ---工具,刀具。

※ BeO —导热性好(180 kcal/m·h·℃) ,热稳定性较高,消散高能辐射 的能力强,强度低(抗压强度(785MN/m2) 用途: 熔化某些纯金属的坩埚,真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷 ※ZrO2 ——呈弱酸性或惰性,导热系数小 1.5-1.7kcal/m·h·℃,使用温 度 2000-2200℃,抗压强度 2060MN/m2 ※ MgO CaO 抗各种金属碱性渣的作用,热稳定性差,MgO 高温易挥发, CaO 在空气中易水化 3.2.2 碳化物陶瓷: ※ 碳化硅 —弯曲强度 200-250MN/m2,抗压强度 1000-1500MN/m2,硬度高, 抗氧化,不抗强碱。

• 主晶相 SiC,有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷; • 高温强度高,工作温度可达 1600~1700℃ 1400℃时,抗弯强度为 500~ 600MPa ; • 有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性,且耐辐射; • 是良好的高温结构材料,主要用于制作火箭喷管的喷嘴,浇注金属的浇道 口、热电偶套管、炉管,燃气轮叶片,高温轴承,热交换器及核燃料包封 材料等。

用途:加热元件,石墨的表面保护层,砂轮,磨料 ※ 碳化硼—硬度高,抗磨,熔点高 2450℃ 用途:磨料,超硬质工具材料。

3.2.3 氮化物陶瓷: ※氮化硼—石墨类型六方结构(白石墨)----介电体和耐火润滑剂。

立方结构(β-BN)----极高硬度,抗加热温度 2000℃,是金刚石的代用品。

• 主晶相 BN,共价晶体,晶体结构为六方结构,有白石墨之称; • 良好的耐热性和导热性,热导率与不锈钢相当,热胀系数比金属和其它陶 瓷低得多,故抗热振性和热稳定性好; • 高温绝缘性好,2000℃仍是绝缘体,是理想的高温绝缘材料和散热材料; • 化学稳定性高,能抗 Fe、Al、Ni 等熔融金属的侵蚀; • 硬度较其它陶瓷低,可切削加工; • 有自润滑性,耐磨性好。

用途: 氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管,熔炼半导体、金属的坩埚和冶 金用高温容器和管道,高温轴承,下班制品成型模,高温绝缘材料;因 BN 中含 wB=43%,有很大的吸收中子的截面,可作核反应堆中吸收热中子 的控制棒。

3.2.4 金属陶瓷 以金属氧化物或碳化物为主要成分,加入适量的金属粉末,通过粉末冶金的 方法制成的,具有某些金属性质的陶瓷。

金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。

四、陶瓷工业用途 陶瓷生产工艺在冶金中的应用

粉末冶金法的基本工艺过程 粉末冶金:粉末制备----压制成型----烧结成零件或毛坯 4.1 粉末制备 包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤。

粉末的纯度、粒度、混合的均匀程度等对粉末冶金制品的质量有重要影响。

粉末愈细、愈均匀、纯度愈高,陶瓷的性能愈好。

4.2 压制成型 多采用冷压法,即将粉料装入模具型腔内,在压力机下压制成致密的具有一 定强度的坯体。

为了改善粉末的可塑性和成型性,通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂, 如汽油橡胶溶液、石蜡等。

4.3 烧结 将压制成型的坯体放入通过保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结, 在保持 至少一种组元仍处于固态的烧结温度下,长时间保温,通过扩散、再结晶、化学 反应等过程,获得与一般合金相似的组织,并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制 品。

根据烧结过程中有无液相产生,烧结分为:固相烧结和液相烧结。

• 固相烧结:在烧结时不形成液相。

无偏析高速钢、烧结铝(Al-Al2O3) 、烧结钨、青铜-石墨、铁-石墨等 • 液相烧结:在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。

金属陶瓷硬质合金(WC-Co、WC-TiC-Co 等) 、高速钢-WC、铬钼钢-WC 等 4.4 后处理加工 为改善或得到某些性能,有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。

如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压,以提高其密度、尺寸精度等;铁基 粉末冶金零件进行淬火处理,以提高硬度等等。

五、陶瓷加工的主要问题 陶瓷加工虽然有许多方法,但加工成本高,加工效率低,加工精度差。

其主 要原因之一是陶瓷的硬度非常高。

对于陶瓷,未烧体或焙烧体主要用切削加工进行粗加工,烧结后用磨削进行 精加工。

根据情况不同,也可以不经加工,直接磨削加工烧结体使之达到设计精度。

就加工过程而言,陶瓷与金属零件几乎是相似的,但陶瓷的加工余量则大得 多。

未烧体或焙烧体陶瓷粗加工时,易于出现强度不足或表面加工缺陷问题,或 由于装卡不充分等原因,而不能获得所要求的最终加工形状。

由于烧结时不能保 持收缩均匀,在粗加工时就要使尺寸不要太靠近最终尺寸,所以留有的精加工的 余量就大。

对于金属加工,精加工余量如考虑热变形和热处理产生的黑皮,则应 尽可能留百分之几毫米。

对陶瓷加工来说,精加工余量则需有几毫米甚至十几毫 米。

加工余量大,生产率降低,生产成本升高。

陶瓷加工的另一个问题是加工刀具费用大。

陶瓷的切削加工需使用高价的 烧结金刚石、CBN 刀具,精加工也是以金刚石砂轮为主,因此在陶瓷市场里刀具 费用要高出金属切削所用刀具数十倍至百倍。

此外,陶瓷的强度对于加工条件是 敏感的,难于实现高效率加工。

六、陶瓷材料的发展趋势 6.1 纳米陶瓷材料 “纳米”(nm)是一个尺度的度量,1nm=0.000000001m,即 10-9 m。

纳米材料 就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于 100nm 的材料。

纳米陶瓷是纳米材料的一 个分支,是指平均晶粒尺寸小于 100nm 的陶瓷材料。

纳米陶瓷除了保持陶瓷耐磨 损、耐腐蚀等优良性能外,还赋予陶瓷高的韧性,将彻底改变陶瓷为“易碎品” 的形象。

纳米陶瓷的烧结性能极佳, 其烧结温度比普通陶瓷粉体的低几百度。

不少纳 米陶瓷已实现在 1000℃以下致密化,而且有可能继续降低。

低温烧结可以节省 能源,有利于环境的净化,还可以用于陶瓷材料的连接,使陶瓷材料的物理化学 性能甚至力学性能都保持一致。

纳米陶瓷的显微硬度极高。

纳米陶瓷在功能方面也有着重要的应用。

如纳米氧化锌陶瓷的非线性伏安特 性。

6.2 梯度材料 为适应同一时间内不同的使用环境, 在同一材料内从不同方向上由一种功能 逐步连续分布为另一种功能的材料称为梯度功能材料,简称梯度材料。

6.3 智能材料 同时具备自检查功能(传感器功能)、信息处理功能以及指令和执行功能的 材料。

它具有自诊断、自调节、自修复等功能。

新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。

在热和机械性能方面, 有耐高温、 隔热、高硬度、耐磨耗等;在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等; 在化学方面有催化、 耐腐蚀、 吸附等功能; 在生物方面, 具有一定生物相容性能, 可作为生物结构材料等。

但也有它的缺点,如脆性。

因此研究开发新型功能陶瓷 是材料科学中的一个重要领域。

参考文献 [1]程继贵 王华林 材料导报,2000(4) [2]李婷.高性能陶瓷材料拓展的新天地[J]上海建材.2010 (3) [3]玻璃与陶瓷材料实验室主要研究方向及特色[J]山东轻工业学院学报,2010 (2) [4]朱俊.工程陶瓷基复合材料及其运用[J]现代技术陶瓷,2010 (2)

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