《先进陶瓷材料及进展》 第四章 结构陶瓷

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1、第四章　结构陶瓷教学基本要求了解结构陶瓷的发展现状。了解和掌握陶瓷的增强和增韧。掌握典型的结构陶瓷。4.0教学基本要求第四章结构陶瓷结构陶瓷利用其强度、硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击等性能，用作研磨材料、切削工具、机械密封件、耐磨机械零件等。4.1概述第四章结构陶瓷结构陶瓷引人注目，各发达国家20多年大量投资进行研究开发是因为有望应用于热机部件。4.1概述第四章结构陶瓷另外一个重要应用是陶瓷刀具和磨削工具。优异的性能和巨大的潜在经济效益刺激着这一新材料的开发。燃气轮机和柴油机是汽车、飞机、轮船、坦克、发电机组等的动力来源。4.1概述第

2、四章结构陶瓷几十年来通过改进高温合金的耐热性能和采用新的冷却技术，使涡轮机的进口温度从500℃提高到1100℃，接近高温合金极限使用温度。如用更耐高温和高温强度更高的陶瓷来作内燃机部件，可以将涡轮机的进口温度提高到1370℃，动力效率可提高到46%。4.1概述第四章结构陶瓷陶瓷热机还有其它优点:可以比金属转子更快加速。成本较低。可以采用低质量燃料和合成燃料。大幅度降低成本，提高可靠性，易于维护。4.1概述第四章结构陶瓷对军用车辆来说，节油意味增加行程，并减轻后勤的负担，车身减轻提高了机动性，体积的减小，减少了车辆的投影面，提高了生存率，冷却系

3、统的取消使之利于在沙漠和高寒地带作战。金属发动机和陶瓷发动机的综合性能比较见表4-1。4.1概述第四章结构陶瓷燃气轮机类型涡轮最高进口温度/℃热交换器最高温度/℃制动效率/%发动机质量/kg普通高温合金涡轮机101070526272高级高温合金涡轮机103898233166陶瓷涡轮机1370109346132表4-1金属和陶瓷汽车燃气轮机性能的比较4.1概述第四章结构陶瓷20世纪70年代初至80年代，美、日、德等国投入大量人力物力开展了这方面研究。陶瓷发动机试验样机已在美、日、德等国和我国制成，并成功地进行了公路试验。陶瓷发动机是结构陶瓷最大

4、潜在市场。4.1概述第四章结构陶瓷陶瓷刀具是结构陶瓷应用的另一广阔市场。陶瓷刀具可以加工这些超硬超强材料，而且它的耐磨和耐热性好，其最佳切削速度比硬质合金刀具高3~10倍以上，寿命长，减少了换刀、磨刀次数，从而大大提高加工效率。4.1概述第四章结构陶瓷传统陶瓷最大弱点是性脆，即很低断裂功，断裂韧性很差，强度也很低。结构陶瓷研究、开发的总目标就是采用各种方法和途径来提高材料强度和韧性，使之达到金属的水平。陶瓷的增强、增韧是结构陶瓷的中心论题。4.1概述第四章结构陶瓷陶瓷的实际强度约为金属的1/10，断裂韧性约为金属的1/100。陶瓷的脆性和强度

5、的分散性是陶瓷作为结构材料的致命弱点。陶瓷在断裂过程中，除增加新的断裂表面外，几乎无其它可以吸收能量的机制。4.２陶瓷的增强与增韧　第四章结构陶瓷提高断裂韧性有两个途径：提高强度。增强的途径首先是提高陶瓷的致密度。增加临界裂纹的长度，或提高断裂功。4.２陶瓷的增强与增韧　第四章结构陶瓷陶瓷体是由粉末成型烧结而成，其内部有大量气孔，它的数量、形状、分布和大小都会对断裂强度产生直接影响。气孔率与陶瓷的强度有以下经验公式：式中，σc是气孔率为P时的强度；σ0是气孔率为零时的强度；b是常数。4.２陶瓷的增强与增韧　第四章结构陶瓷气孔率增加或密度降低可

6、使陶瓷强度下降：陶瓷的弹性模量随气孔率增大而减小，断裂强度与弹性模量的平方根成正比，故气孔率增大或材料密度减小使陶瓷的强度下降。晶界处的气孔会引起应力集中，在外力作用下形成微裂纹，降低强度。4.２陶瓷的增强与增韧　第四章结构陶瓷气孔率增加，晶粒间接触面积减小，有利于微裂纹的形成与扩展，增大陶瓷的脆性。气孔若呈不规则状，则在多相交界处，气孔本身就相当于裂纹。陶瓷高致密时，强度得到增加，增强的同时也增加了断裂韧性，但单通过提高强度有时并不能明显地增韧。4.２陶瓷的增强与增韧　第四章结构陶瓷高速钢硬金属超级金属ZrO2Si3N4SiCAl2O3纤维

7、复合材料微晶玻璃耐火材料炻器陶器弯曲强度/GPa0123年代18501900195019701990图4-1陶瓷强度近年来的进展及与金属的比较4.２陶瓷的增强与增韧　第四章结构陶瓷一　氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于结构目的的先进陶瓷。氧化铝是应用最广泛的一种。氧化锆则是现有结构陶瓷中强度和断裂韧性最高的一种。4.3典型的结构陶瓷　第四章结构陶瓷（一）氧化铝陶瓷氧化铝有近十种变体。纯氧化铝主要有α-Al2O3和γ-Al2O3两种晶型。氧化铝陶瓷最常用的原料是人工合成的α-Al2O3粉末。4.3典型的结构陶瓷　第四章结构陶瓷氧化铝的熔点高、硬度高

8、、高绝缘、耐酸、耐碱、强度高、原料丰富。工业氧化铝原料制备方法主要用改进的Bayer法炼铝工艺，由于含钠量较高，在0.01%以上，在很多的应用上受到限制。4.3典型