无机非金属材料Word格式.docx
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陶瓷中玻璃相的作用:
将分散的晶体相粘结起来,填充晶体之间的空隙,提高材料的致密度;
降低烧成温度,加快烧结过程;
阻止晶体转变,抑制晶体长大并填充气孔间隙;
获得一定程度的玻璃特性,如透光性等
玻璃相对陶瓷的强度、介电性能、耐热性能是不利的,不能成为陶瓷的主导组成,在工业陶瓷中必须控制玻璃相的体积分数,一般为20~40%。
⏹(3)气相:
气相是指陶瓷中的气体。
它主要是坯料各成分在加热过程中单独或相互发生物理、化学作用所生成的空隙。
这些空隙一部分分布在玻璃相中,一部分残留下来成为气孔。
它会降低陶瓷的强度,是造成裂纹的根源,它还会使介电损耗增大。
⏹3.陶瓷材料的晶体缺陷
⏹是当温度高于绝对温度后,晶格振动时,一些能量足够的原子离开平衡位置面,挤到晶格的间隙位置中或者跃迁到晶体的表面,在正常位置上留下空位而形成的缺陷。
也就是说原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子。
线缺陷(位错)
是对材料性能有重大影响的一维缺陷。
晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象,也可以说是晶体内部局部滑移。
由于离子键或共价键结合造成位错的可动性不大,所以位错在陶瓷材料重的作用不如在金属材料重那么重要。
面缺陷:
是指多相材料组成相间的界面和单相材料晶粒间的界面。
由于陶瓷是由微细颗粒的原料烧结而成的,所以陶瓷材料一般都是多晶体。
因而,陶瓷中也存在晶界、亚晶界等面缺陷。
4.陶瓷材料的性能特点
4.1力学性能
硬度很高一般陶瓷的硬度多为1000~5000HV
刚度材料的刚度由弹性模量衡量,陶瓷材料一般具有很高的弹性模量。
强度高陶瓷材料的晶粒大小对强度影响也较大。
晶粒尺寸越小,强度越高
塑性与韧性低
减轻陶瓷材料脆性的途径为:
制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷,提高晶体的完整性
在陶瓷表面引入压应力
复合强化是发挥陶瓷材料优势的重要途径
4.2热性能
熔点高如尖晶石的熔点高达2135℃
热容绝大数陶瓷材料低温下热容小,高温热容大,即陶瓷的热容随温度升高而增大,达到温度后,热容与温度无关。
热膨胀系数小热膨胀是温度升高时物质原子振动振幅增大,原子间距增大而导致体积增大的现象。
导热性热传导是在一定温度下热量在材料中传递的速度。
热传导主要通过原子的热振动来进行,陶瓷材料多为绝热材料。
抗热震性它是指材料承受温度急剧变化而不发生失效的能力。
多数陶瓷材料的抗热震稳定差
4.3电学性能大多数陶瓷是良好的绝缘体
4.4光学性能一般是不透明的,但也有少数光学陶瓷
4.5化学性能
陶瓷的结构非常稳定,很难与介质中的氧发生作用。
陶瓷对酸、碱、盐的腐蚀有较强的抵抗能力,也能抵抗熔融的非铁金属的侵蚀。
但高温熔盐和氧化渣等会使某些陶瓷陶瓷材料受到腐蚀破坏。
第二节普通陶瓷材料
陶瓷是脆性材料,大部分陶瓷是由粉体成型和高温烧结来形成的,因此陶瓷是烧结体。
烧结体也是晶粒的聚集体,有晶粒和晶界,所存在的问题是其存在一定的气孔率。
一、普通陶瓷的生产工艺过程
1.原料配制
(1)粘土
粘土是一种含水的铝硅酸盐矿物,主要组成为SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2。
加水混合后,有很好的可塑性,水在坯料中起塑化和粘结作用,赋予坯料以塑变或注浆成形能力,并保证干坯的强度及烧结后的使用性能。
粘土是瓷坯中Al2O3的主要来源,是坯体耐火度的主要保证,也是烧成莫来石的主要来源。
(2)石英
石英是普通结晶状二氧化硅矿石。
石英的粘性很低,属非可塑性原料。
作用:
在烧成中与长石等易熔物形成玻璃相,增加液相的粘度,减少制品的变形,石英还与粘土中的Al2O3形成莫来石,残余石英构成坯体的骨架
(3)长石
☛长石是一类具有架状硅酸盐结构的矿物的总称。
可分为4类:
纳长石(NaO·
Al2O3·
6SiO2)钾长石(K2O·
6SiO2)
钙长石(CaO·
6SiO2)钡长石(BaO·
6SiO2)。
☛作用:
在陶瓷生产使用的长石是几种长石的互熔物,它主要起助熔的作用。
这是因为它没有固定的熔点,在一定温度范围内逐渐软化熔融,熔融后的长石能溶解一部分粘土分解物和部分石英,促进成瓷反应,并降低烧成温度。
2.坯料成形
可塑成形在坯料中加入水或塑化剂,捏练成可塑泥料,经手工、挤压或机械加工成形。
注浆成形将制备好的浆料注入多孔模型内,多孔模型的吸水性使泥浆贴近模壁的一层因模壁吸水而形成均匀的泥层。
该泥层随时间的延长逐渐加厚。
当达到所需厚度时,将多余的泥浆倾出。
随后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离,从模型中取出后成为毛坯。
模压成形法利用压力将干粉料在模型中压成致密坯体的一种成形方法。
由于模压成形的坯料水分少,压力大坯体比较致密,使用于形状简单的小型坯体。
3.制品的烧成
烧成的目的:
是通过一系列物理化学变化,去除坯体内所含溶剂、粘结剂、塑化剂等,减少坯体中的气孔,增强颗粒间的结合强度。
蒸发阶段(室温~300℃)此阶段主要是排除坯体中的残余水分,结束后,坯体完全干燥,收缩很小,强度增大,属纯物理现象。
氧化物分解和晶型转化(300~950℃)此阶段发生复杂的物理化学变化,包括粘土等矿物中结构水的排除;
有机物、无机物氧化;
碳酸盐、硫化物的分解;
石英的晶型转变。
玻化成瓷期(950℃~烧成温度)在此温度区间内,主要发生两个反应,分别为:
(4)冷却阶段(烧成温度~室温)
此阶段主要在原长石区域析出或长大成粗大针状二次莫来石,但数量不多;
液相粘度大,不发生结晶,而在750~350℃之间转化为固态玻璃
第三节结构陶瓷材料
特种陶瓷是在普通陶瓷的基础上发展起来的,与普通陶瓷主要有以下区别:
☛在原料上一般以纯度较高的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物为主要原料,成分由人工配比决定,性质优劣不是产地决定的;
☛在制备上广泛采用真空烧结、保护气氛烧结,同时采用热压、热等静压等手段;
☛在性质上具有不同的特殊性能和功能,如耐高温、高硬度等。
一、结构陶瓷的生产工艺
1、粉末制备
☛固相法包括化合或还原法、热分解法、自蔓延高温合成。
☛气相法包括气相合成法、气相热分解法。
☛液相法包括直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法等。
☛机械法球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。
☛溶剂蒸发法酒精干燥法、冷冻干燥法、热石油干燥法和喷雾干燥等。
2、成形
☛冷等静压成形将粉末放入橡胶制的容器内,密封后利用静水压力通过介质从各个方向向橡胶模均匀加压成形。
压制出来的坯体密度大而且均匀。
☛注射成形在陶瓷粉末内加入热塑性树脂、石蜡、增塑剂与溶剂等,把经预热的坯料在成形机内加热熔融,然后再从喷嘴压入金属模具内冷却固化。
☛爆炸成形利用炸药爆炸后在极短的时间内产生的巨大压力作用在粉末上,使坯体获得接近理论密度和很高的强度。
3、烧成
常压烧结烧结机理是固相烧结。
气氛压力烧结烧结时气氛压力控制在1.013×
106Pa左右。
热压烧结通常用于共价键非氧化物陶瓷。
它是将干粉末填入模具内,再从单轴方向施加压力,同时进行烧结,是一种成形与烧结同时进行的工艺方法。
烧结机理由以扩散为主变为以塑性流动为主。
热压模具主要采用石墨制造。
热等静压烧结(HIP)将粉末装入密封容器内,通过气体介质向密封容器内的粉末施加各向均匀的高压,同时进行烧结。
最高温度可达2000℃,最高压力达2000MPa。
反应烧结法用于氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。
电火花烧结它是一种利用粉末间火花放电产生高温同时施加压力的烧结方法。
通过一对电极板和上下模腔内的粉末直接通入高频或中频交流和直流叠加电流,使粉料产生火花放电而放热,同时跟踪施加轻压。
烧结时间短,可在几秒至几分钟内完成。
自扩散高温合成又称自蔓延高温合成(SHS)或固体火花工艺。
它不采用外部加热而是利用金属与碳、硅、氮等相互作用的强烈放热效应,利用元素内部潜在的化学能将原始粉末在几秒到几十秒的极短时间内转化成化合物或致密烧结体。
缺点:
不易获得高密度制品;
不易严格控制成品性能;
所用原料可燃、易燃或有毒。
二、常用的结构陶瓷材料
(1)氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷,又称高铝陶瓷。
根据Al2O3含量的不同,可分为75瓷(含75%Al2O3,又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷,后两者又称刚玉瓷。
氧化铝陶瓷耐高温性质好,可使用到1950℃。
具有良好的电绝缘性及耐磨性,微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石)。
高铝瓷的性能特点及应用:
⏹强度高烧结产品抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。
强度可维持到900℃。
⏹硬度高莫氏硬度为9级,耐磨性好。
⏹熔点高,抗蚀强。
⏹优良的化学稳定性具有耐酸碱两重性,也能抵抗金属或玻璃熔体的侵蚀。
⏹电绝缘性能好
⏹优良的光学特性
(2)BeO陶瓷
BeO陶瓷的性能特点及应用:
导热系数大,线膨胀系数小,抗热震性高;
高温电绝缘性良好,电导率很低,介电常数很高;
高温强度比较高;
化学性质稳定,可在空气、H2、CO、Ar、N2等气体中使用到1700℃。
在氧化物中BeO是抵抗碳还原作用最强的一种,还原温度高达1800℃。
在高温下对各种熔渣的抗腐蚀性也很强,只受碱的侵蚀。
具有消散高能辐射的能力和热中子阻尼系数大的特点。
(3)ZrO2陶瓷
ZrO2陶瓷的特点及应用:
A、呈酸性或惰性,热导率小,是理想的高温绝热材料;
B、化学稳定性好,能抵抗酸性或中性熔渣侵蚀;
C、硬度高,强度高,韧性好;
D、具有敏感特性。
稳定化后有氧空位,可作气敏元件。
E、ZrO2固体电解质在一定条件下有传递氧离子的特性,可以制成高温燃料电池固体电解质隔膜、钢液氧探头等。
氧化锆的晶型转变:
立方四方单斜。
四方转变为单斜相非
常迅速,引起很大的体积变化,易使制品开裂。
氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。
当受到外力作用时,这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛,增加裂纹扩展阻力,从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。
4)MgO、CaO陶瓷MgO、CaO陶瓷耐高温,抗金属及碱性熔渣腐蚀。
可以制成坩埚冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等金属及浇注金属的铸模,高温热电偶保护套及高温炉衬材料。
(5)ThO2、VO2陶瓷具有高熔点、高密度、低热传导性、低挥发性。
主要用于制造熔炼Lr、Pt、Ag和其它金属的坩埚,电炉构件,核动力反应堆中的发热元件等。
(1)Si3N4陶瓷
⏹Si3N4陶瓷的生产方法:
⏹A、反应烧结法:
以Si粉或Si粉与Si3N4粉的混合物为原料
⏹1150~1200℃预氮化
⏹1350~1450℃进一步氮化
⏹B、热压烧结法:
将Si3N4粉和少量添加剂在19.6MPa以上和
⏹1600~1700℃条件下热压成形烧结
氮化硅陶瓷的性能特点及应用:
Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性,能抵抗除氢氟酸外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀;
Si3N4陶瓷具有优异的绝缘性;
硬度高,摩擦系数小,是一种优良的耐磨材料;
线膨胀系数小,热导率较高,抗热震性好;
室温强度虽然不高,但高温强度较高;
氮化硅陶瓷用于形状复杂、精度要求高的零件,如机械密封环等。
碳化硅陶瓷最大的特点是高温强度高,有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能,其热传导能力很强,仅次于氧化铍陶瓷。
碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承,泵的密封圈、拉丝成型模具等。
3、耐火陶瓷
耐火材料是指温度不低于1580℃的材料
耐火材料的性能指标
1)耐火度耐火度是指在高温作用下而不熔化的性质。
2)荷重软化温度耐火材料在温度和负荷同时作用下抵抗变形的能力。
3)高温体积稳定性高温体积稳定性是指耐火材料在高温下外形体积和线度保持稳定而不发生永久变形的性能。
4)抗热震性
5)抗渣性耐火材料抵抗熔渣或其它熔融液侵蚀而不易损坏的能力。
6)耐真空性耐火材料在真空和高温下服役时的耐久性。
3、耐火纤维
耐火纤维是纤维状耐火材料,是一种高效绝热材料。
它具有一般纤维的特性,又有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀和抗氧化的性能,克服了一般耐火材料的脆性,同时,有非常显著的节能效果。
目前发展最快应用最多的是硅酸铝耐火纤维。
4、耐火混凝土
混凝土一般是由骨料、胶结剂、掺合料三部分按一定比例制成混合料直接浇注而成,有时还要加促凝剂。
根据胶结剂的不同,耐火混凝土可分为:
铝酸盐、水玻璃、磷酸盐、合硫酸铝耐火混凝土。
第四节功能陶瓷材料
功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料,是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料,同时也对改造某些传统产业,如农业、化工、建材等起着重要作用。
功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。
功能材料是新材料领域的核心,对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用,在全球新材料研究领域中,功能材料约占85%。
随着信息社会的到来,特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用,是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料,成为世界各国新材料领域研究发展的重点,也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。
电子陶瓷
陶瓷固体电解质:
处于固体状态而能象液体那样发生离子快速迁
移、具有离子导电性的陶瓷材料
☛稀土化合物固体电解质
☛稀土化合物作稳定剂的固体电解质
☛稀土化合物作掺杂剂的固体电解质
☛稀土离子交换的固体电解质
压电陶瓷:
当外力作用晶体时,发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这种由于变形而产生的电效应,称为正压电效应。
反之,当在晶体上施加电场引起极化时,将产生与电场成比例的变形或压力,称为逆压电效应。
这两种效应通称为压电效应。
材料的压电效应取决于晶体结构是否对称,晶体必须有极轴(不对称),才有压电效应。
压电陶瓷就是具有压电效应的陶瓷。
光电陶瓷:
光电陶瓷是能产生光电效应的陶瓷。
它受到光的照射后,由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光吸收现象,能带内产生自由载流子,而使电导率增加,这种现象称为光电效应。
电光陶瓷:
能产生电光效应的陶瓷。
给各向异性的电解质施加电场后,压电效应使晶格产生畸变,介质的折射率产生变化。
其中随电场成线性变化的现象称普克尔效应;
随电场的平方变化的现象称为克尔效应。
一般把两者总称为电光效应。
常用的是掺镧锆钛酸铅(简称PLZT)、掺镧铪钛酸铅(PLHT)。
这种陶瓷可用于光调制器、光开关、光存储、光阀和电激励多色显示器等。
超导陶瓷
超导陶瓷就是当温度达到临界温度Tc时,电阻突然消失的材料。
超导材料以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体成像(NMRI)、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;
但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用,因而严重地限制了低温超导应用的发展。
高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用温度从液氦(4.2K)提高到液氮(77K)温区。
同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应用带来了极大的方便。
磁性陶瓷
铁氧体和铁芯永久磁铁是磁性瓷的代表。
由于永磁体不需要从外部施加电能便能够提供磁场,所以被应用到各个领域。
以Nd-Fe-B系磁体为代表的稀土系磁体,因其显示磁体强度的最大磁能积高,对设备的小型化、高性能化做出了贡献,是生产量最大的永磁材料。
而铁氧体因其性能价格比高,所以在生产量上成为比稀土族还多的永磁材料。
在永磁材料领域,从开发Nd-Fe-B系永磁体至今已近20年。
经过各种改善,其特性一直在提高,但现在还没有开发出超越上述磁体的具有绝对特性的磁性材料。
光学陶瓷
透明陶瓷
氧化物透明多晶体Al2O3
非氧化物透明多晶体ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2等
1、透明陶瓷
(1)氧化物透明多晶体
制造透明多晶体时,为防止产生引起光散射的气孔和异常成长的晶粒,需采用下述一种或两种以上的方法:
A、掺入微量或少量的添加物
B、调节气氛
C、调整原料
D、热压将生坯置于空气介质中,在压力下烧结以排除气孔。
(2)非氧化物透明多晶体
有些非氧化物多晶体也可作为电子材料或通过特定波长光的窗口。
如卡钠尔还用热压法(850℃,34.5MPa)制成了CoCr2S4的透明多晶体,它作为磁光学材料,可用于调制CO2激光。
红外光学陶瓷
主要指各种滤光材料、红外接收材料和红外探测材料。
以往主要用单晶和玻璃,最近已开始使用多晶陶瓷。
多晶体比单晶体易于制造形状复杂的器件,不存在沿解理面开裂问题,一般来说其机械强度比单晶的要高。
比如氧化钇是优良的高温红外材料和电子材料,主要用外红外导弹的窗口和整体罩、天线罩、微波基板等。
激光陶瓷
激光是通过光的受激发射放大而获得相位一致的高功率单色光而被人们所利用。
它与普通光的根本差别是激光具有极高的光子简并度(是指处在同一量子态的光子数)。
激光材料的实质是具有适当的能级结构,通过激励,使粒子从低能级跃迁至高能级,即光泉作用,可以实现“离子数反转”。
目前研究最成熟的典型激光晶体主要有红宝石激光晶体和掺钕
的钇铝石榴石晶体。
光色陶瓷
⏹物质在光照射时改变颜色,停止照射后又可逆地恢复原状的现象,称为光色现象。
⏹比如锆钛酸铝陶瓷(PZT)中添加锂锡钼铅复合氧化物(PLSM)的PZT-PLSM固溶系统,当其组成处于某特定范围内时,呈现出明显的感光特性,加热时恢复到原来状态
生物医用陶瓷
生物陶瓷是用于人体器官替换、修补及外科矫形等的陶瓷材料。
作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段,其市场销售额正以每年16%的速度递增,预计20年内,生物医用材料所占的份额将赶上药物市场,成为一个支柱产业。
生物惰性(物理、化学性能很稳定,在生物内完全呈惰性状态),在临床上得到广泛应用。
与人骨没有结合力,仅靠机械结合。
生物活性陶瓷具有优异的生物相溶性,能与骨形成骨性结合面,结合强度高,稳定性好,植入骨还具有诱导骨细胞生长的趋势,能逐步参与代谢,甚至完全与生物骨齿结合成一体。
生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向。
陶瓷分离膜
定义:
以压力差、浓度差等作动力,使气体和液体的混合物或无机物、有机物的溶液分离成各种组分的功能膜就是分离膜。
目前,陶瓷分离膜主要是氧化铝膜,此外有氧化硅膜、氧化锆膜和硅掺硼膜等多孔陶瓷膜,一般具有多层非对称结构。
顶层是分离膜,底层是多孔陶瓷基底。
中间层是由于制膜工艺的要求引入的,其孔径介于顶层和基底之间。
膜元件几何形状主要有平面形、管形和多道蜂窝体形。
敏感陶瓷
敏感陶瓷指某些性能随外界条件(温度、电压、湿度、气氛)的变化而发生改变的陶瓷。
这类陶瓷主要用于遥感测量及自动控制领域。
热敏电阻陶瓷:
电阻随温度而变化的陶瓷材料。
压敏电阻陶瓷:
电阻对外加电压敏感,电压提高,电阻率下降。
磁敏陶瓷:
将磁性物理量转变为电信号的陶瓷材料。
气敏陶瓷:
将气体参量转变为电信号的陶瓷材料。
湿敏陶瓷:
将湿度信号转变为电信号的陶瓷材料。
1.热敏陶瓷
热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的材料,主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件--热敏电阻(thermistor)。
热敏陶瓷分类:
电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏陶瓷,简称PTC热敏陶瓷(positivetemperaturecoefficient);
电阻随温度的升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏陶瓷,简称NTC热敏陶瓷(negativetemperaturecoefficient),如Co-Mn尖晶石系;
电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏陶瓷,简称为CTR临界温度热敏陶瓷(criticaltemperatureresistor),如VO2。
2.气敏陶瓷
气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷材料,其性能随气体浓度的变化而变化.具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性(或电子受容性)气体,如O2、NOx等。
具有阳离子吸附性质的气体称为还原性(或电子供出性)气体,如H2、CO、乙醇等。
(尤其是某些易燃、易爆、有毒气体及其混合物)
压敏陶瓷:
电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷
光敏陶瓷
由于材料的电特性不同以及光子能量的差异,它在光的照射下吸收光能,产生不同的光电效应:
光电导效应和光生伏特效应。
(1)光电导效应:
半导体材料吸收的入射光子能量若大于或等于半导体的禁带宽度,激发电子-空穴对,使载流子浓度增加,半导体的导电性增加,阻值减低。
应用:
光敏电
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