层状氮化硅陶瓷的性能与结构

陶瓷⼯艺学及答案1. 陶瓷原料按⼯艺特性可分为哪四类原料？⼀般按原料的⼯艺特性分为：可塑性原料、瘠性原料、熔剂性原料和功能性原料四⼤类。

2. 传统陶瓷的三⼤类原料是什么？答：粘⼟、⽯英、长⽯3. 指出粘⼟、粘⼟矿物、⾼岭⼟、⾼岭⽯的差异答：黏⼟是⼀类岩⽯的总称，这有利于区分黏⼟、黏⼟矿物、⾼岭⼟、⾼岭⽯等这些名词的不同黏⼟矿物：含⽔铝硅酸盐，组成黏⼟的主体，其种类和含量是决定黏⼟类别、⼯业性质的主要因素。

⾼岭⼟主要由⾼岭⽯组成的黏⼟称为⾼岭⼟。

4. 说明原⽣粘⼟和次⽣粘⼟的特点答：原⽣粘⼟：⼀次粘⼟，母岩风化后在原地留下来的粘⼟，产⽣的可溶性盐被⽔带⾛，因此质地较纯，耐⽕度⾼，颗粒较粗，可塑性差；次⽣粘⼟：⼆次粘⼟、沉积粘⼟，由河⽔或风⼒将风化产⽣的粘⼟迁移⾄低洼地带沉淀所成。

颗粒较细，可塑性好，夹杂其它杂质，耐⽕度差。

5. 粘⼟按耐⽕度可分为哪⼏类，各⾃特点是什么？P176. 粘⼟的化学组成主要是什么？主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶⽔（H2O）。

分别说明氧化铝、⼆氧化硅、氧化铁/⼆氧化钛、碱⾦属/碱⼟⾦属氧化物、有机质对粘⼟烧结的影响（1）SiO2 ：若以游离⽯英状态存在的SiO2多时，黏⼟可塑性降低，但是⼲燥后烧成收缩⼩。

（2）Al2O3 ：含量多，耐⽕度增⾼，难烧结。

（3）Fe2O3＜1％，TiO2 ＜0.5％：瓷制品呈⽩⾊，含量过⾼，颜⾊变深，还影响电绝缘性。

（4）CaO、MgO、K2O、Na2O：降低烧结温度，缩⼩烧结范围。

（5）H2O、有机质：可提⾼可塑性，但收缩⼤。

7. 粘⼟中根据矿物的性质和数量可以分为哪两类？哪些是有益杂质矿物，哪些是有害杂质？根据性质和数量分为两⼤类：黏⼟矿物和杂质矿物有益杂质：⽯英、长⽯有害杂质：碳酸盐、硫酸盐、⾦红⽯、铁质矿物8. 指出碳酸盐、硫酸盐对陶瓷烧结的影响碳酸盐主要是⽅解⽯、菱镁矿；硫酸盐主要是⽯膏、明矾⽯等。

⼀般影响不⼤，但以较粗的颗粒存在时。

贝壳的结构仿生——层状陶瓷基复合材料摘要论述了贝壳的结构仿生材料——层状陶瓷复合材料的性能特点，从基体及夹层材料的类型选择推ヅ洹⒔峁股杓啤⒐ひ詹问 难∪⒃鋈偷幕 啤⒅票阜椒ǖ确矫娼樯芰说鼻安阕刺沾芍票腹ひ占际醯难芯拷 梗淮有阅芗敖峁沟确矫嫣教至嗽诟春喜牧戏⒄怪心壳按嬖诘奈侍狻?关键词：贝壳仿生；层状复合陶瓷；基体材料；夹层材料；增韧机制；制备方法引言众所周知，陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻等很多优点，在能源、冶金、石油化工、航天航空等领域有着广泛的应用前景。

但是，陶瓷材料本身脆性大，对缺陷十分敏感，导致使用可靠性和可重复性差，限制了其应用。

因此增加陶瓷材料的韧性提高其使用可靠性，一直是结构陶瓷材料研究的重点。

陶瓷的层状复合是大自然中贝壳等生物材料的一种结构仿生设计。

贝壳类生物材料是由95以上的脆性文石晶体和少量的壳角蛋白以强弱相间的层状形式复合而成的这种结构具有比一般文石晶体高得多的综合机械性能。

层状复合陶瓷也是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层制成。

这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。

当材料受到弯曲或冲击时裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。

同时这种材料的强度受缺陷影响较小是一种耐缺陷材料。

这种结构可使陶瓷的韧性得到很大改善。

1. 贝壳的结构和成分贝壳根据形成的方式和组成结构不同分为3层。

最外层为角质层，是硬蛋白质的一种，能耐酸的腐蚀；中间的棱柱壳层，它占据壳的大部分，由角柱状的方解石构成，角质层和棱柱层只能由外套膜背面边缘分泌而成；内层为珍珠层，也由角柱状方解石构成，它由外套膜的全表面分泌形成，并随着贝类的生长而增厚，富有光泽，珍珠层是最强韧的部分。

珍珠层组成相的95是文石晶体（正交结构碳素钙），其余是有机基质和少量的水，因此，它是一种天然的陶瓷基复合材料。

虽然贝壳珍珠层的组成中有近95是普通陶瓷碳酸钙，但其综合力学性能，特别是断裂韧性，比单个单相碳酸钙高2-3 个数量级，研究表明，其中的文石晶体呈多边形。

氮化硅陶瓷增韧调研报告1、前言氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷，具有良好的室温及高温机械性能，强度高，耐磨蚀，抗热震能力强，抗化学腐蚀，低导热系数，密度相对较小，是结构陶瓷中研究最为广泛深入的材料，亦是陶瓷发动机及其它高温结构件、切削工具、耐磨件等的主要候选材料，近几年来仍是人们争相研究的热点材料之一。

但是，已有的研究对氮化硅陶瓷的脆性缺陷仍未获得彻底改善，从而大大限制了它的实际应用。

如何提高氮化硅韧性仍是人们研究的焦点。

目前从事氮化硅陶瓷研究的学者为了提高其韧性，主要从两大方面着手进行韧性改善。

一是通过进行“显微结构设计”来提高氮化硅陶瓷的韧性。

即降低气孔的含量，控制杂质的含量，提高氮化硅陶瓷的密度、纯度；对氮硅陶瓷的晶型、晶粒尺寸、发育完整程度进行控制；对晶界的大小、材质进行调控；对玻璃相的数量、性质、分布状态等进行控制，以求在烧结后获得最佳韧性的显微组织，从而提高氮化硅陶瓷的韧性【1】。

二是在上述基础上开展的“晶界工程”研究。

氮化硅陶瓷常以多晶陶瓷的形式出现，而对多晶材料而言，当晶体较小为微米或纳米级时，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学性能等的一个极其重要的因素。

对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度，尤其是晶界高温强度是决定其能否作为高温工程材料运用的关键。

氮化硅是强共价键化合物，其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小，同时它的晶界能V gb与粉末表面能V sv的比值(V gb/ V sv) 比离子化合物和金属要大得多，使得烧结驱动力Δv 较小，决定了纯氮化硅无法靠常规的固相烧结达到致密化，必须加入少量氧化物烧结助剂，在高温烧结过程中它们与氮化硅表面SiO2反应形成液相，通过液相烧结成致密体，冷却后该液相呈玻璃态存在于晶界。

而此玻璃相的性能在很大程度上决定了氮化硅陶瓷材料的性能。

为了提高氮化硅陶瓷的高温性能，人们对玻璃晶界结晶化进行了大量的研究工作，称之为“晶界工程”【2】。

陶瓷基复合材料论文2015年5月５日摘要：陶瓷基复合材料主要以高性能陶瓷为基体.通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。

如碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。

陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步不久。

关键词：陶瓷基复合材料基体增强体强韧化机理制备技术前言:陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。

陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。

这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时,会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。

而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。

纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品。

其最高使用温度主要取决于基体特征。

正文一、陶瓷基复合材料基本概述陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。

如碳化硅、氮化硅、氧化铝等,具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。

化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。

陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。

从几何尺寸上可分为纤维（长、短纤维)、晶须和颗粒三类。

碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。

纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段。

目前常用的晶须是ＳiＣ和Ａ12Ｏ3,常用的基体则为A12O3,ZrO２,SiＯ２,Si３Ｎ4以及莫来石等。

晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化困难，引起了密度的下降导致性能下降。

颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。

常用的颗粒也是SiC、Ｓi3N４和Ａ12O3等。

陶瓷基复合材料发展迟滞，发展过程中也遇到了比其它复合材料更大的困难。

陶瓷材料的烧结方法摘要：陶瓷材料的烧结方法是决定其最终性能的关键技术，本文系统的介绍、分析了目前陶瓷材料所采用的各种烧结方法的机理、工艺、影响因素、特点及其使用范围，为陶瓷材料烧结方法的选择提供参考。

关键词：陶瓷材料，烧结方法1：前言1:作为“面向二十一世纪的新材料〞，陶瓷材料的开发与研究是目前世界各主要工业国共同共注的焦点之一。

烧结是陶瓷材料坯件消费的最后一道工序，也决定着坯件的最终性能。

因此，慎重的选择烧结方法、严格的控制烧结过程是非常重要的。

二：正文2：陶瓷材料的烧结方法陶瓷材料的烧结方法一般可分为：常规烧结、反响烧结、气氛压力烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、放电等离子烧结及高温自蔓延烧结等。

2.1：常规烧结：常规烧结一般采用常规加热方式，在传统电炉中进展，是目前陶瓷材料消费中最常采用的烧结方法。

由于纯的陶瓷材料有时很难烧结，所以性能允许的条件下，通常引入一些烧结助剂，以期形成局部低熔点的固溶体、玻璃相或其他液相，促进颗粒的重排和粘性流动，从而获得致密的产品，同时也可以降低烧结温度。

在氧化铝的烧结中参加TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等可形成固溶体，这类氧化物有与氧化物相近的晶格常数，同时是变价氧化物。

由于变价作用，使氧化铝内部产生晶体缺陷，活化晶格，促进烧结。

例如：参加0.5~1%的二氧化钛、钛离子和铝离子的离子半径相近〔钛离子半径0,064nmm〕因此钛离子极易取代铝离子而形成二氧化钛—三氧化二铝固溶体，并引起晶格畸变。

另外为了到达电荷平衡，必定会留下空位，这就更有利于烧结。

同时，当二氧化钛—三氧化二铝到高温时，Ti4+会复原为Ti3+，而Ti3+ 的离子半径更大，这使得三氧化二铝晶格的歪斜、扭曲比Ti4+引起的更严重。

由于Ti4+和Ti3+的综合作用，可使烧结温度降低150~200度。

在Si3N4的烧结中可参加适量的MgO、Y2O3—Al2O3稀土元素氧化物、碳化物、硅化物添加剂。

陶瓷基复合材料综述报告陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。

陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。

这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。

而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。

纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

迄今，陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。

有些发达国家已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得了不错的使用效果[1]。

一、陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种[2-4] :1.1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。

连续长纤维的连续长度均超过数百。

纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。

1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。

耐热、耐磨。

耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。

细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。

主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。

1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。

1.5片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。

将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。

二、陶瓷基的界面及强韧化理论陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。