常见陶瓷材料性能及运用讲义
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陶瓷材料及其应用【摘要】陶瓷材料在我们的生活中早已应用到了各个方面,比如塑料、木材、水泥三大传统基本材料,陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。
它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。
可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料。
随着社会的进步,人们对材料的要求也越来越高,这种表现不仅表现在对科学研究领域,也表现在人们的日常生活当中。
材料的进步很大程度上推动了社会的进步,而社会的需求反过来也有力的推进了材料科学的发展。
拿陶瓷材料来说,陶瓷材料已经贯穿了人类的历史,并且随着历史不停的发展,在材料科学领域崭露头角。
【关键字】陶瓷材料应用发展一、陶瓷材料概述陶瓷材料分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料,普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的 90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。
这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。
特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要。
根据其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等;特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。
其特点有力学性能、热性能、电性能、化学性能、光学性能,根据用途不同,特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。
二、陶瓷材料的分类随着生产与科学技术的发展.陶瓷材料及产品种类日益增多.为了便于掌握各种材例或产品的特征,通常以不同的角度加以分类。
1.按化学成分分类(1)氧化物陶瓷。
氧化物陶瓷种类繁多,在陶瓷家族中占有非常重要的地位。
最常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、 SiO2、 MgO、 ZrO3、 CeO2, CaO. Cr2O3 及莫莱石(3Al2O3.2SiO4) 和尖晶石 (MgAl2O3)等。
第八章陶瓷材料第1节陶瓷材料概述第4讲陶瓷材料的性能特点先进陶瓷分类(按其性能和功能)结构陶瓷:作为工程结构材料使用的陶瓷功能陶瓷:具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷力学性能特点1硬度高510152025几种典型陶瓷材料的维氏硬度与不锈钢材料的对比图维氏硬度/G P a结构陶瓷的力学性能陶瓷材料硬度高→陶瓷材料耐磨性好→陶瓷材料可以制作刀具50100150200250300350400450几种典型陶瓷材料的弹性模量与不锈钢材料的对比图弹性模量/G P a力学性能特点2高弹性模量陶瓷材料高弹性模量陶瓷材料硬度弹性模量熔点变化规律具有一致性是其主晶相结合键能高低的外在反映弹性模量高→零件/构件的刚度好氧化铝机械加工精度高加工前加工中加工后不锈钢加工过程后发生挠曲变形,精度无法保证金属材料与陶瓷材料的应力-应变曲线(示意图)应力应变陶瓷金属力学性能特点3无塑性变形,断裂强度低陶瓷材料室温下拉伸时没有塑性变形→脆断人们常说的陶瓷强度,主要指它的断裂强度陶瓷材料的实际断裂强度和理论断裂强度对比材料理论值/MPa实测值/MPa理论/实测强度比值Al2O3(蓝宝石)4900063077.0Si3N4(热压)3770098038.5SiC(热压)4800093051.5 Si3N4(反应烧结)37700290130.5奥氏体型钢200003240 6.4陶瓷材料的实际断裂强度比理论强度低很多陶瓷材料实际断裂强度低的原因•存在不规则形状的气孔,相当于裂纹•内部组织结构复杂、和不均匀性2004006008001000120014001600几种典型陶瓷材料的抗弯强度抗弯强度/M P a陶瓷材料的强度,一般采用抗弯强度(弯曲强度)和抗压强度(压缩强度)表示采用三点弯曲测试抗弯强度示意图力学性能特点4低抗压强度高,抗弯强度低几种典型陶瓷材料的抗压强度抗压强度/M P a碳钢铸铁高速钢氧化铝(A479)单晶蓝宝石(SA100)金属陶瓷(TC30)01000200030004000•陶瓷材料抗压强度高,为抗拉强度的10~40倍•陶瓷材料承受压应力的能力大大超过拉应力的能力抗压强度测试示意图•陶瓷材料抗压强度比金属(碳钢)高力学性能特点5冲击韧性、断裂韧性低陶瓷材料是脆性材料冲击韧性~10kJ/m2几种材料的断裂韧性材料K IC/MPa∙m1/2不锈钢(SUS304)21045钢90球墨铸铁20~40氮化硅陶瓷 3.5~5氧化锆7-8氧化铝(99%)3-4K IC约为金属的1/60~1/100物理与化学性能1 较低的密度12345678密度/g ∙c m -3几种典型陶瓷材料的密度与钢的对比图2 熔点高一般在2000℃以上,陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属3化学稳定性高•抗氧化性优良,在1000℃高温下不会氧化•对酸、碱、盐有良好的抗蚀性4 热胀系数小24681012141618几种典型陶瓷材料的热膨胀系数与钢的对比图膨胀系数X 10-6/K40~400℃•随气孔率增加,陶瓷的热胀系数、热导率降低•多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料20406080100120140160几种典型陶瓷材料的热导率与钢的对比图导热率W /m ∙K5 热导率受材质和气孔影响大6具有特殊性能光学,电学,声学和磁学性能结构陶瓷→功能陶瓷高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震、耐腐蚀、抗氧化密度小弹性模量大陶瓷材料性能优势脆性大,韧性差,难加工安全可靠性低陶瓷材料性能短板避免服役过程中工况:冲击载荷、大的拉应力分析服役环境,取长补短可发挥优势工况条件:高温、高压、强腐蚀、强磨损。
陶瓷材料的力学性能高分子091 项淼学号17陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。
金属:金属键高分子:共价键(主价键)+范德瓦尔键(次价键)陶瓷:离子键和共价键。
普通陶瓷,天然粘土为原料,混料成形,烧结而成。
工程陶瓷:高纯、超细的人工合成材料,精确控制化学组成。
工程陶瓷的性能: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。
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。
一、陶瓷材料的结构和显微组织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”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)陶瓷的分类※玻璃—工业玻璃(光学,电工,仪表,实验室用);建筑玻璃;日用玻璃※陶瓷—普通陶瓷--日用,建筑卫生,电器(绝缘),化工,多孔……特种陶瓷--电容器,压电,磁性,电光,高温……金属陶瓷--结构陶瓷,工具(硬质合金),耐热,电工……※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃,光子玻璃陶瓷,无线电透明微晶玻璃,熔渣玻璃陶瓷…2. 陶瓷的生产(1)原料制备(拣选,破碎,磨细,混合)普通陶瓷(粘土,石英,长石等天然材料)特种陶瓷(人工的化学或化工原料---各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物)(2)坯料的成形(可塑成形,注浆成形,压制成形)(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。
(高聚物<20HV,淬火钢500-800HV,陶瓷1000-5000HV)(2)刚度是各类材料中最高的(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。
功能陶瓷材料功能陶瓷材料是一类具有特殊功能的陶瓷材料,它们在各种工业领域和日常生活中发挥着重要作用。
功能陶瓷材料具有优异的耐高温、耐腐蚀、绝缘、导热、导电、磁性、光学透明等特性,因此被广泛应用于电子、光电、化工、航空航天、医疗器械等领域。
本文将介绍功能陶瓷材料的种类、特性及应用。
首先,功能陶瓷材料可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。
结构陶瓷主要用于承受机械载荷的零部件,如陶瓷刀具、轴承、阀门、喷嘴等。
而功能陶瓷则是指具有特殊功能的陶瓷材料,如氧化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆等。
这些功能陶瓷材料具有高温、耐腐蚀、绝缘、导热、导电、磁性、光学透明等特性,被广泛应用于各个领域。
其次,氧化铝是一种常见的功能陶瓷材料,具有优异的绝缘性能、耐磨性和耐腐蚀性能。
氧化铝陶瓷常用于制作绝缘零件、耐磨零件、化工设备零件等。
氮化硅是一种耐高温、耐腐蚀的陶瓷材料,常用于制作高温炉具、化工容器、陶瓷刀具等。
碳化硅具有优异的导热性能和耐高温性能,常用于制作导热器件、陶瓷加热器、炉具等。
氧化锆具有优异的机械性能和耐磨性能,常用于制作轴承、阀门、喷嘴等。
最后,功能陶瓷材料在电子、光电、化工、航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用。
在电子领域,功能陶瓷材料常用于制作电子陶瓷电容器、压敏电阻、陶瓷介质滤波器等。
在光电领域,功能陶瓷材料常用于制作激光器件、光纤连接器、光学窗口等。
在化工领域,功能陶瓷材料常用于制作化工设备、化工管道、化工阀门等。
在航空航天领域,功能陶瓷材料常用于制作航空发动机零部件、航天器件、航空航天仪器等。
在医疗器械领域,功能陶瓷材料常用于制作人工关节、牙科修复材料、医疗器械陶瓷零件等。
综上所述,功能陶瓷材料具有优异的特性和广泛的应用领域,对于推动工业技术进步和提高产品性能起着重要作用。
随着科技的不断发展,功能陶瓷材料将会有更广阔的应用前景。
4科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION1 前言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。
常用工程陶瓷材料主要包括:金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物,以及非金属元素所组成的化合物,如硼和硅的碳化物和氮化物。
根据其元素组成的不同可以分为:氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷。
此外,近年来玻璃陶瓷作为结构材料也得到了广泛的应用。
2 氧化物陶瓷氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主,存在部分共价键,因此具有许多优良的性能。
大部分氧化物具有很高的熔点,良好的电绝缘性能,特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性,在工程领域已得到了较广泛的应用。
2.1氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷又称刚玉瓷,一般以α-Al2O3 为主晶相。
根据Al2O3 含量和添加剂的不同,有不同系列。
如根据Al2O3含量不同可分为75瓷,85瓷,95瓷,99瓷等;根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉-莫来瓷和刚玉瓷;根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。
Al2O3陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种;Al2O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反映,只有Mg、Ca、Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用;热的硫酸能溶解Al2O3 ,热的HCl,HF对其也有一定腐蚀作用;Al2O3 陶瓷的蒸汽压和分解压都是最小的。