工程材料作业新型陶瓷材料

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新型陶瓷材料姓名：金津班级：机械105学号：1010012137摘要：属于新型材料的一种，采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的。关键词：新陶瓷粉末冶金发展趋势一、引言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。二、陶瓷材料的性能，特点1、陶瓷材料的结构和显微组织1.1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”1.2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）2、陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中较高的。（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中较高的（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。（E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(4)塑性：在室温几乎没有塑性。(5)韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。(6)热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃） (8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9)导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。二、陶瓷分类及其工业、机械用途普通陶瓷3.1传统陶瓷原料—长石，石英，粘土，高龄土，绢云母，滑石，石灰。加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3，ZrO2等）提高强度和热稳定性；加入（SiC等）提高导热性。3.1.1日用陶瓷性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性用途：日用器皿，工艺品艺术品等3.1.2建筑陶瓷性能要求：强度，热稳定性用途：地面，墙壁，管道，卫生洁具等.3.1.3电工陶瓷（高压瓷）性能要求：强度，介电性能和热稳定性.用途：隔电，支持及连接，绝缘器件3.1.4化工陶瓷性能要求：耐蚀性.用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。3.2特种陶瓷3.2.1氧化物陶瓷：※Al2O3—高的强度和高温强度（抗压2493MN/m2)，高化学稳定性和介电性能•以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。•根据Al2O3含量不同，分为75瓷（Al2O3含量为75%）又称刚玉-莫来石瓷；　95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。•Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。优势：氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉强度可达250MPa；•耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；•耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作，在空气中的最高使用温度达1980℃；•耐蚀性和绝缘性好；•脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。用途：工具，高温炉零件，空压机泵零件，内燃机火花塞，坩埚。微晶刚玉（弯曲强度5000MN/m2，HRA92-93红硬性1200℃）---工具,刀具。※BeO—导热性好（180kcal/m·h·℃），热稳定性较高，消散高能辐射的能力强，强度低（抗压强度（785MN/m2） 用途：熔化某些纯金属的坩埚，真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷※ZrO2——呈弱酸性或惰性，导热系数小1.5-1.7kcal/m·h·℃，使用温度2000-2200℃，抗压强度2060MN/m2※MgOCaO抗各种金属碱性渣的作用，热稳定性差，MgO高温易挥发，CaO在空气中易水化3.2.2碳化物陶瓷：※碳化硅—弯曲强度200-250MN/m2，抗压强度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗强碱。•主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷；•高温强度高，工作温度可达1600～1700℃1400℃时，抗弯强度为500～600MPa；•有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射；•是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。用途：加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料※碳化硼—硬度高，抗磨，熔点高2450℃用途：磨料，超硬质工具材料。3.2.3氮化物陶瓷：※氮化硼—石墨类型六方结构（白石墨）----介电体和耐火润滑剂。立方结构（β-BN)----极高硬度，抗加热温度2000℃，是金刚石的代用品。•主晶相BN，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称；•良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多，故抗热振性和热稳定性好；•高温绝缘性好，2000℃仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料；•化学稳定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀；•硬度较其它陶瓷低，可切削加工；•有自润滑性，耐磨性好。用途：氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容器和管道，高温轴承，下班制品成型模，高温绝缘材料；因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。3.2.4金属陶瓷以金属氧化物或碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末，通过粉末冶金的方法制成的，具有某些金属性质的陶瓷。金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。四、陶瓷工业用途陶瓷生产工艺在冶金中的应用粉末冶金法的基本工艺过程粉末冶金：粉末制备----压制成型----烧结成零件或毛坯4.1粉末制备包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤。粉末的纯度、粒度、混合的均匀程度等对粉末冶金制品的质量有重要影响。 粉末愈细、愈均匀、纯度愈高，陶瓷的性能愈好。4.2压制成型多采用冷压法，即将粉料装入模具型腔内，在压力机下压制成致密的具有一定强度的坯体。为了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂，如汽油橡胶溶液、石蜡等。4.3烧结将压制成型的坯体放入通过保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结，在保持至少一种组元仍处于固态的烧结温度下，长时间保温，通过扩散、再结晶、化学反应等过程，获得与一般合金相似的组织，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。根据烧结过程中有无液相产生，烧结分为：固相烧结和液相烧结。•固相烧结：在烧结时不形成液相。　无偏析高速钢、烧结铝（Al-Al2O3）、烧结钨、青铜－石墨、铁－石墨等•液相烧结：在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。　金属陶瓷硬质合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速钢－WC、铬钼钢－WC等4.4后处理加工为改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压，以提高其密度、尺寸精度等；铁基粉末冶金零件进行淬火处理，以提高硬度等等。五、陶瓷加工的主要问题陶瓷加工虽然有许多方法，但加工成本高，加工效率低，加工精度差。其主要原因之一是陶瓷的硬度非常高。对于陶瓷，未烧体或焙烧体主要用切削加工进行粗加工，烧结后用磨削进行精加工。根据情况不同，也可以不经加工，直接磨削加工烧结体使之达到设计精度。就加工过程而言，陶瓷与金属零件几乎是相似的，但陶瓷的加工余量则大得多。未烧体或焙烧体陶瓷粗加工时，易于出现强度不足或表面加工缺陷问题，或由于装卡不充分等原因，而不能获得所要求的最终加工形状。由于烧结时不能保持收缩均匀，在粗加工时就要使尺寸不要太靠近最终尺寸，所以留有的精加工的余量就大。对于金属加工，精加工余量如考虑热变形和热处理产生的黑皮，则应尽可能留百分之几毫米。对陶瓷加工来说，精加工余量则需有几毫米甚至十几毫米。加工余量大，生产率降低，生产成本升高。陶瓷加工的另一个问题是加工刀具费用大。陶瓷的切削加工需使用高价的烧结金刚石、CBN刀具，精加工也是以金刚石砂轮为主，因此在陶瓷市场里刀具费用要高出金属切削所用刀具数十倍至百倍。此外，陶瓷的强度对于加工条件是敏感的，难于实现高效率加工。六、陶瓷材料的发展趋势6.1纳米陶瓷材料    “纳米”(nm)是一个尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9m。纳米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷除了保持陶瓷耐磨损、耐腐蚀等优良性能外，还赋予陶瓷高的韧性，将彻底改变陶瓷为“易碎品”的形象。纳米陶瓷的烧结性能极佳，其烧结温度比普通陶瓷粉体的低几百度。不少纳米陶瓷已实现在1000℃以下致密化，而且有可能继续降低。低温烧结可以节省能源，有利于环境的净化，还可以用于陶瓷材料的连接，使陶瓷材料的物理化学性能甚至力学性能都保持一致。纳米陶瓷的显微硬度极高。纳米陶瓷在功能方面也有着重要的应用。如纳米氧化锌陶瓷的非线性伏安特性。6.2梯度材料为适应同一时间内不同的使用环境，在同一材料内从不同方向上由一种功能逐步连续分布为另一种功能的材料称为梯度功能材料，简称梯度材料。6.3智能材料同时具备自检查功能（传感器功能）、信息处理功能以及指令和执行功能的材料。它具有自诊断、自调节、自修复等功能。新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作为生物结构材料等。但也有它的缺点，如脆性。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。参考文献[1]程继贵王华林材料导报,2000（4）[2]李婷.高性能陶瓷材料拓展的新天地[J]上海建材.2010（3）[3]玻璃与陶瓷材料实验室主要研究方向及特色[J]山东轻工业学院学报，2010(2)[4]朱俊.工程陶瓷基复合材料及其运用[J]现代技术陶瓷,2010(2)