先进陶瓷材料第六讲结构陶瓷材料(v)

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1、先进陶瓷材料中国海洋大学材料科学与工程研究院第五讲结构陶瓷材料(IV)典型结构陶瓷材料氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料氧化铝陶瓷氧化锆增韧陶瓷莫来石陶瓷锆英石陶瓷钛酸铝陶瓷氧化物陶瓷材料莫来石陶瓷莫来石陶瓷概述发展历程：首报：1924年，Bowen等发现了Al2O3-SiO2系统中的莫来石相研究工作的三个阶段：1970年以前：莫来石晶相的结构与表征1970-1990年：莫来石陶瓷的性能，在力学、光学、电子学等方面可能的应用1990年以来：莫来石陶瓷的烧结、显微结构、力学性能及其粉体合成、晶须制备、高纯陶瓷制备等氧化物陶瓷材料莫来石的晶体结构及相关系莫来石的晶体结构莫来石－斜方晶系

2、平行于c轴的铝氧八面体链和铝硅氧四面体链分别以共棱和共顶方式连接成硅酸盐双链网络结构双链间由六配位铝离子相连接氧化物陶瓷材料莫来石是一种简单的固溶体有两种稳定的组成：烧结莫来石：3Al2O3.2SiO2熔融莫来石：2Al2O3.SiO2晶体结构与制备工艺有关晶格常数随氧化铝含量变化氧化物陶瓷材料莫来石的相平衡Al2O3-SiO2系统是陶瓷中最重要的二元系统目前还有两个主要分歧：1）莫来石的熔融问题；2）莫来石的固溶范围（大小、形状和位置）两个研究结果对比：转熔点不同；转熔温度不同；固溶区不同。分歧的原因：实验条件不同——实验结果不同氧化物陶瓷材料莫来石陶瓷的物理化学性质性质典

3、型值理论密度3.17硬度7.5蠕变速率（8.27MPa、1100oC/m.h-1)9.8×10-9膨胀系数（25－1000oC）4.2膨胀系数（25－1500oC）5.6热导率5.45抗弯强度（5.0％气孔率）117抗弯强度（2.0％气孔率）132抗弯强度（0％气孔率）250－500断裂韧性2－3氧化物陶瓷材料突出优点：线膨胀系数低——良好的抗热震性蠕变速率低——高温变形小热导率低——良好的隔热性能高纯莫来石抗弯强度——维持到1500oC无明显降低高温环境下，优良的中红外透过性氧化物陶瓷材料独特的力学性能强度保持到高温与杂质含量有关氧化物陶瓷材料富硅的莫来石陶瓷高温力学性能明

4、显优于室温原因：1）高温下黏滞状态玻璃相钝化裂纹2）柱状莫来石晶粒拔出、吸收能量氧化物陶瓷材料莫来石陶瓷的粉体合成与烧结莫来石粉体的合成工业合成法：含铝和硅的矿物（高岭石、硅线石）经高温分解形成，一次莫来石制备过程中往往加入氧化铝二次莫来石氧化物陶瓷材料化学合成1）化学沉淀法2）溶胶凝胶法3）包裹法莫来石陶瓷的烧结和显微结构莫来石－复合氧化物－扩散系数低一般条件下，很难致密化热压烧结温度：>1500oC无压烧结温度：>1650oC氧化物陶瓷材料降低烧结温度：合成高活性莫来石粉体引入添加剂－液相烧结引入1-2wt%的Y2O3、MgO或CaO——降低烧结温度，抑制晶粒长大引入10

5、–20vol％氧化锆，明显促进烧结，且氧化锆晶粒位于晶界上，有效阻止晶界迁移，细化莫来石陶瓷的显微结构——提高力学性能氧化物陶瓷材料原始粉体对莫来石陶瓷烧结的影响氧化物陶瓷材料莫来石陶瓷的强韧化抗弯强度：200－400MPa断裂韧性：2.2MPa.m1/2线膨胀系数：4－5×10－6/℃突出优点：高温强度衰减小高的抗蠕变1987年，日本东京1990年，美国西雅图组成、结构、制备等方面的研究增强、增韧——主要的研究方向之一广泛关注莫来石陶瓷国际学术研讨会氧化物陶瓷材料高强、高模量第二相复合补强——莫来石陶瓷强韧化的有效方法纤维补强莫来石基复合材料主要纤维：莫来石纤维、碳纤维、碳

6、化硅纤维、氧化铝纤维等机理：纤维和基体化学结合，断裂时，纤维从基体拔出和桥联，阻止裂纹扩展，吸收断裂能。氧化物陶瓷材料莫来石纤维/莫来石复合材料勃姆石（AlOOH）凝胶和SiO2溶胶为原料，按莫来石化学计量比制备凝胶，干燥后得基体复合粉末——制备成浆料莫来石纤维，表面涂覆BN或BN/SiC，采用浸渍法浸浆，干燥、切割叠层、真空热压。所得材料性能复合材料相对密度抗弯强度断裂韧性纤维体积NB/莫来石90％32211.641％BN/SiC/莫来石85%1827.133％氧化物陶瓷材料碳纤维/莫来石复合材料典型制备方法：高强碳纤维绳为增强相，亚微米氧化铝和氧化硅溶胶——莫来石凝胶——

7、莫来石粉体——浆料通过一次渗透法制备单向碳纤维复合材料1300～1400℃，2h：相对密度99％，强度：720MPa1600℃，2h：全部莫来石密度>99％，强度：766MPa氧化物陶瓷材料ZrO2增韧莫来石基复合材料（ZMT）原位反应烧结原料：锆英石、氧化铝烧结过程的双重效应反应膨胀（13％）烧结收缩制品原位烧结。强度：400MPa韧性：4.5MPa.m1/2氧化物陶瓷材料颗粒或晶须补强增韧莫来石多种补强剂协同补强增韧氧化物陶瓷材料莫来石陶瓷的应用应用领域应用场合应用部位水泥工业回转窑内衬材料陶瓷工业