结构陶瓷材料

COLLEGEOFMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGCHONGQINGUNIVERSITYCERAMICSMATERIALS重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU2第三章结构陶瓷结构陶瓷主要是发挥材料机械、热、化学等效能的一类先进陶瓷。结构陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，因而广泛应用于能源、航空航天、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU3结构陶瓷的主要应用领域重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU4结构陶瓷的主要应用领域-续表重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU53.1结构陶瓷的分类使用领域机械陶瓷热机陶瓷生物化工陶瓷通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类:核陶瓷及其他重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU6机械陶瓷主要利用其高硬度、高耐磨特性，如机械零件、轴承、密封件、切削刀具材料、模具等。热机陶瓷又称发动机用陶瓷，主要利用其耐热、耐磨损及高强、高韧特性，如车用耐磨轻量陶瓷部件、隔热、耐热部件、燃气轮机叶片等。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU7生物化工陶瓷利用耐腐蚀特性以及与生物酶接触化学稳定性好等特性，如冶炼冶炼有色金属及稀有金属用坩埚、热交换器、生物陶瓷等。核陶瓷及其他利用其特有的俘获和吸收中子特性可作为各种核反应堆的结构材料使用；与日常生活相关的如陶瓷刀、无磁调试工具、高尔夫球杆等。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU8按组分分类氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷硼化物陶瓷重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU9氧化物陶瓷主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化钍陶瓷、锆英石陶瓷等。氮化物陶瓷主要有氮化硅陶瓷、赛隆（Sialon，Siliconaluminumoxynitride）陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷等。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU10碳化物陶瓷主要有碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷以及碳化铀陶瓷等。硼化物陶瓷主要有硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU113.2氧化物陶瓷氧化物陶瓷材料可以是一种元素的氧化物（例如Al2O3、MgO）为基料。也可以在他们的晶格中还含几种元素的阳离子（例如莫来石陶瓷3Al2O3·SiO2，锆英石陶瓷ZrSiO4等）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（一般都在2000oC附近），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。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU12常用氧化物陶瓷及其主要性能重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU133.2.1氧化铝陶瓷以Al2O3为主成分的陶瓷称为氧化铝（AluminumOxide或Alumina）陶瓷。氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料。通常应用于需要承受机械应力的结果用零件，尤其是利用其高熔点、高硬度、耐腐蚀、电绝缘性好等特性，作为苛刻条件下使用的结构件。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU14氧化铝陶瓷产品重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU15氧化铝结晶构造氧化铝有多种结晶态，到目前为止，已确定的氧化铝结晶态有α、κ、θ、χ、η、γ、ρ、β等。β-Al2O3不是纯的氧化铝，而是Al2O3与碱金属氧化物或碱土金属氧化物间的化合物，但习惯上仍视为氧化铝的一种。α、β、γ晶型为氧化铝的三种主要晶型。在所有温度下，α-Al2O3是热力学上稳定的Al2O3晶型。氧化铝的其他多种同素异构体在高温下将几乎全部转化为α-Al2O3。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU16氧化铝中，氧的堆积方式有两种：六方最密堆积的ABAB型与立方最密堆积的ABCABC型；铝的配位方式也有两种：6个氧的八面体中心位置和4个氧的四面体中心位置。以此组合，产生了氧化铝结构的多样性。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU17(1)α-Al2O3α-Al2O3的结构属六方晶系。正负离子的配位数为6:4，O2-离子作近似密排六方堆积，Al3+位于八面体间隙中，但只填满这种空隙的2/3。α-Al2O3的晶格结构α-Al2O3亦称刚玉，是氧化铝结晶态中最稳定者。它是M2O3氧化物的代表性结构。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU18(2)γ-Al2O3γ-Al2O3是水铝矿及氧化铝矿等氧化铝水化物脱水过程中生成的过渡氧化铝。γ-Al2O3属立方晶系，是人工合成的晶型，不稳定，在1100oC以上温度不可逆地转变为α-Al2O3。γ-Al2O3具有松散结构，因此表面积极大，对其他物质具有良好的吸着力，故可用作吸着剂。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU19(3)β-Al2O3β-Al2O3的化学组成可以近似地用MeO·6Al2O3和Me2O·11Al2O3表示，其中MeO指CaO、BaO、SrO等碱土金属氧化物；Me2O指Na2O、K2O、Li2O等碱金属氧化物。严格地说，β-Al2O3不属于氧化铝，β-Al2O3只是一类Al2O3含量很高的多铝硅酸盐化合物，具有明显的离子导电性和松弛极化现象，介质损耗大，电绝缘性能差。它的这些性质决定了其不能用于结构陶瓷中，在制造无线电陶瓷时也不希望β-Al2O3存在，但它可以作为快离子导体材料用于钠硫电池中。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU20从结构陶瓷的生产和使用的角度来看，在这三种晶型中最有价值的晶型是α-Al2O3重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU21α-Al2O3的性质硬度高。莫氏硬度为9，具有优良的抗磨性能，所以广泛地用于制备刀具、模轮、磨料和各种耐磨件。抗弯强度高。普通多晶烧结体的抗弯强度可达250MPa,热压产品的抗弯强度可达500MPa。强度可保持到900℃以上温度。用作一般结构件、保温和耐火材料。优良的力学性能重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU22耐磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、氟化物、硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。熔点高熔点达2050℃，抗高温腐蚀，用作各种坩埚、冶金炉衬等。优良的化学稳定性重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU23与人体亲和性好用作人工骨头、人工关节等生物植入体。对红外线、可见光透明。用作灯管、红外窗口等。绝缘性能好体电阻率为1.5x1015Ω·m,电绝缘强度为15KV/mm。用作绝缘瓷（装置瓷）、集成电路基片等。特殊的光学特性重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU24氧化铝陶瓷的分类通常按瓷体中Al2O3的百分含量进行分类。可分为两大类：高纯氧化铝陶瓷和普通氧化铝陶瓷。随着氧化铝含量的降低，陶瓷的品质降低。高纯氧化铝陶瓷：指Al2O3含量在99.9%(wt.)以上的氧化铝陶瓷。熔点为2050oC，密度为3.98g/cm3，烧结温度在1650oC～1950oC之间。高纯氧化铝具有优异的化学稳定性和良好的透光性。可用作钠灯管，在电子工业中可用作集成电路基板和高频绝缘材料。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU25普通氧化铝陶瓷：是以Al2O3为主要成份的陶瓷。按Al2O3含量不同可分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷。有时也将Al2O3含量为80wt.%和75wt.%也列入普通氧化铝陶瓷。99氧化铝陶瓷常用作坩埚、耐火炉管及特殊用途的耐磨材料如轴承、密封件、水阀片等；95氧化铝陶瓷主要用作各种要求中等的耐腐蚀、耐磨部件；85氧化铝陶瓷组份中通常加入部分滑石，形成与硅酸镁共溶所组成的以刚玉瓷为主晶相的高铝瓷。是电真空装置器件中采用最广泛的瓷料。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU26氧化铝陶瓷的制备工艺原料粉煅烧磨细配料加塑化剂成型素坯修坯烧结表面处理及精加工成品重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU27氧化铝粉体的制备拜耳法（BayerProcess）------目前世界上大规模制备氧化铝粉的经典工艺。拜耳法是将含铝量高的天然矿物（如铝矾土）用酸法或碱法处理而得。碱法处理是近代炼铝工业中制造氧化铝的主要方法。酸法很少使用，但能提取贫矿中的Al2O3，因而是有发展前途的一种方法。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU28碱法处理制造氧化铝的一般工艺：首先将铝矾土原矿石粉碎，然后加入13%～20%的NaOH，在200～250oC，4MPa的条件下处理，使之成为铝酸钠溶液。将氧化铁、二氧化硅以及氧化钛等不溶解物形成的沉淀过滤分离，然后将铝酸钠放入大型搅拌池中用水稀释后添加少量氧化铝细颗粒（作为晶种），Al(OH)3以三水铝石的形式从铝酸钠中析出，经过滤、洗净后在旋转式管状炉或沸腾床式炉中，于1200～1300oC下烧结，过筛而制成α-Al2O3。拜耳法制备的氧化铝含有微量的Na2O等杂质。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU29拜耳法制备氧化铝的工艺流程图重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU30高纯氧化铝粉末制备方法氧化铝陶瓷制品的强度、耐热性、耐磨性及耐腐蚀性等性能会随杂质含量的增加而劣化。因而，在要求具有很高强度、硬度、优良透光性及耐腐蚀性时，控制氧化铝粉料中杂质是十分重要的。高纯氧化铝粉末的制备方法主要有以下几种方法：铵明矾热分解法；有机铝盐加水分解法；铝的水中放电氧化法；重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU31(1)铵明矾热分解法铵明矾热分解法是最常用的高纯氧化铝制造方法。硫酸铝铵的分过程为：123用本方法制取的氧化铝粉末纯度可达99.9%以上。不足之处在于分解过程中产生大量SO3有害气体，造成环境污染。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU32(2)有机铝盐加水分解法将铝的醇盐中加水，醇盐分解得到氢氧化铝。反应为：Al(OR)3+3H2O→Al(OH)3+3ROH式中R为烷基。将Al(OH)3过滤出来后，通过煅烧，得到Al2O3粉体。在将金属有机化时，属于杂质的Fe、Si、Ti等难以有机化，因此可制得纯度很高的氧化铝粉末。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU33(3)铝的水中放电氧化法该方法是将扁平的高纯度（99.9%）铝粒子浸于纯水中，将电极插入其中进行高频火花放电，铝粒子激烈运动，与水反应生成氢氧化铝，将此胶体煅烧即可制得高氧化铝粉末。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU34煅烧煅烧是在低于粉体的烧结温度下对粉料进行热处理。氧化铝粉体煅烧的目的有几下几点：使γ-Al2O3转变为α-Al2O3，以减少烧成过程的收缩量。通常称之为“转相”。若要转变比较充分，煅烧温度应在1300oC左右。去除杂质，排除工业氧化铝粉中的Na2O等杂质，以提高原料粉的纯度。为了排除Na2O，通常要加入适量的添加剂，如H2BO3或NH4F或AlF3等，加入量一般为0.3%-3%。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU35Na2O+2H2BO3→Na2B2O4↑+3H2O↑1400-1500oC煅烧2-3小时，反应可充分进行，Na能从粉体中带走。重庆大学材料科学与工程学院Dept.ofMSE,CQU36细磨细粉可以降低烧成温度；成型方法对粉末粒度有特殊要求。注浆成型对粒度要求小于2微米的粉粒应达到70-80%以上，干压成型要求小于2微米的粉粒应占50-70%.重庆