CERAMIC 材料导论 Greek: keramikos 第五章陶瓷材料 Burnt stuff 陶瓷的应用 建筑材料 1陶瓷的性质 切工具 51陶瓷的性质 51陶瓷的性质 5.11密度与孔隙率 511密度与孔隙率 阿基米德定律 表观体积:实际体积与材料内、外孔隙体积的总和 个物体在液体中所受浮力为该物体所排开液体的重量 真实体积:实际体积与内孔体积之和 表观孔隙率:内、外孔总共占有的体积百分数 称三个量量 真实孔隙率:内孔所占的体积百分数 1.干燥宜量 2.孔隙中充清渡体后的量ws 3.在液体中且充满液体后的量w
1 材料导论 第五章 陶瓷材料 CERAMIC Greek: keramikos Burnt stuff 陶瓷的应用 5.1 陶瓷的性质 5.1 陶瓷的性质 表观体积：实际体积与材料内、外孔隙体积的总和 真实体积：实际体积与内孔体积之和 表观孔隙率：内、外孔总共占有的体积百分数 真实孔隙率：内孔所占的体积百分数 5.1.1 密度与孔隙率 5.1 陶瓷的性质 5.1.1 密度与孔隙率 阿基米德定律： 一个物体在液体中所受浮力为该物体所排开液体的重量 称三个重量： 1. 干燥重量WD 2. 孔隙中充满液体后的重量WS 3. 在液体中且充满液体后的重量WL
51陶瓷的性质 5陶瓷的性质 511密度 511密度与孔隙率 真实体积:R 体积:=一 d 真实密度:dR 表观密度: 真实孔隙率:%P==8A×100% 表观孔原率,“%2==x0% 51陶瓷的性质 5陶瓷的性质 5.11密度与孔隙率 511密度与孔隙率 解:HD=360,Ws=385,H2=224,d=1。 例5-1:碳化硅的理论密度p=32Mgm3。有一碳化硅制 表现密度: W385-224 品干重量为360g,浸饱水的重量为385g,水中重量为 224g,求其表观密度,表观孔隙率,真实孔隙率及闭孔 的体积分数 表观孔隙率:%P,=-Hn×100385-360×00155 HD=360,Ws=385,W=224,d 真实孔隙率:%p=an=(×100=32-24×100=30 闭孔的所占百分数应为真实孔隙率减去表观孔隙率: 30-15.5=14.5。闭孔在孔体积中的分数为14.5/30=0 极限度 512磨损阻力 51,3断裂韧性 屠损膏命因子 塑性形变 5 化建 不钠 弹性区 瓷的性质 96%氧化铝 聚氯■
2 5.1 陶瓷的性质 真实体积： 真实密度： 5.1.1 密度 L D L R d W W V − = D L D L R D R W W W d V W d − ⋅ = = % ×100% − = R R A R d d d 真实孔隙率： P 5.1 陶瓷的性质 L S L A d W W V − 表观体积： = L S D L A D A W W W d V W d − ⋅ 表观密度： = = 5.1.1 密度与孔隙率 % ×100% − − = S L S D A W W W W 表观孔隙率： P 5.1 陶瓷的性质 5.1.1 密度与孔隙率 例5－1：碳化硅的理论密度ρ＝3.2Mg/m3。有一碳化硅制 品干重量为360g，浸饱水的重量为385g，水中重量为 224g，求其表观密度，表观孔隙率，真实孔隙率及闭孔 的体积分数。 WD＝360，WS＝385，WL＝224，dL＝1 5.1 陶瓷的性质 5.1.1 密度与孔隙率 解：WD ＝ 360，WS ＝ 385，WL ＝ 224，dL＝1。 2.24 385 224 360 = − = − = L S D A W W W d 100 15.5% 385 224 385 360 % 100 × = − − × = − − = S L S D A W W W W P 100 30% 3.2 3.2 2.24 % 100 × = − × = − = R R A R d d d P 表观密度： 表观孔隙率： 真实孔隙率： 闭孔的所占百分数应为真实孔隙率减去表观孔隙率： 30－15.5=14.5。闭孔在孔体积中的分数为14.5/30=0.483 ALANX CG89 碳化硅 不锈钢 硬镍 钨铬钴合金 96%氧化铝 铸铁 磨损寿命因子 10 15 20 25 聚氨酯 5.1.2 磨损阻力 陶 瓷 的 性 质 5.1 0 5 10 15 20 25 极限强度 屈服 塑性形变 断裂 金属 脆性断裂 弹性区 陶瓷 应变% 应力 MPa 400 350 300 250 200 150 100 50 5.1.3断裂韧性
51陶瓷的性质 5陶瓷的性质 513断裂韧性 514抗热冲击性 拉伸强度 k一导热系数 a-线性热胀系数 E一弹性模量(杨氏模量) (a)单缺口试样b) Chevron试样 51陶瓷的性质 514抗热冲击性 一些材料的抗热冲击性质 52陶瓷的加工 熔融SiO 旦 钠玻璃692×102 52陶瓷材料的加工 52陶瓷材料的加工 522冷压与烧结 522冷压与烧结 烧结过程 型坯的均匀压制a干法(b)湿法 橡胶模具
3 5.1 陶瓷的性质 5.1.3 断裂韧性 (a)单缺口试样(b) Chevron试样 S1 S2 B W S1 S2 B W 5.1 陶瓷的性质 E k × × α σ TSI＝ σ － 拉伸强度 k －导热系数 α －线性热胀系数 E －弹性模量（杨氏模量） 5.1.4 抗热冲击性 5.1 陶瓷的性质 5.1.4 抗热冲击性 一些材料的抗热冲击性质 材料 σ (MPa) k (W/cm x°C) α (°C−1 × 10−6 ) E (GPa) TSI (W/cm) 熔融 SiO2 68 6 ×10−2 0.6 72 94 A12O3 204 3 ×10−1 5.4 344 33 石墨 8.7 1.4 3.8 7.7 416 钠玻璃 69 2 ×10−2 9.2 68 2.1 5.2 陶瓷的加工 烧结过程 5.2 陶瓷材料的加工 5.2.2 冷压与烧结 型坯的均匀压制(a)干法(b)湿法 5.2 陶瓷材料的加工 5.2.2 冷压与烧结
52陶瓷材料的加工 绝热衬层 耐火垫块 523热压 热压与冷压烧结SiN4的性能比较 瓷材料的加 52陶瓷材料的加工52.4化学加工法 52陶瓷材料的加工5.4化学加工法 5241溶胶凝胶法 胶体粒子间的凝聚 瓷粉末 粘合剂 分散剂 烧结烧掉粘合剂一窑炉一干燥一凝胶化 52陶瓷材料的加工524化学加工法 52陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法 硅凝胶的形成过程 52.2化学蒸汽渗透法(CVD) Si-OR t H,o OH+ ROH Perforate si-oR+ Ho-Si Si-O-Si-+ ROH Fibrous Si-OH HO-Si Water cooled
4 热 压 ： 陶 瓷 热 压 装 置 陶 瓷 材 料 的 加 工 5.2.3 5.2 5.2陶瓷材料的加工 5.2.3 热压 材料 烧结助剂 密度/ (%, 理论) 室温 断裂模量 /MPa 1350°C 断裂模量 /MPa 热压 Si3N4 5% MgO >98 587 173 烧结 Si3N4 5% MgO ~90 483 138 热压 Si3N4 1% MgO >99 952 414 烧结 Si3N4 BeSiN2 + SiO2 >99 560 - 热压 Si3N4 13% Y2O3 >99 897 669 烧结 Si3N4 6% Y2O3 -98 587 414 热压与冷压烧结Si3N4的性能比较 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 陶瓷粉末 粘合剂 分散剂 水 烧结 烧掉粘合剂 窑炉 干燥 凝胶化 注入模具 催化剂 引发剂 混合机 淤浆 5.2.4.1 溶胶凝胶法 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 胶体粒子间的凝聚 OH OH OH OH OH HO HO HO HO HO HO HO HO O O H O H H OH－ OH－ O O H O H H HO HO HO HO HO HO OH OH OH HO HO HO OH OH HO OH OH OH HO OH OH HO HO HO HO HO HO OH OH OH OH OH OH Si(OH)4 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 硅凝胶的形成过程 －Si－OR ＋ H2O － － －Si－OH ＋ ROH － － －Si－OR ＋ HO －Si－ － － －Si－O －Si－ ＋ ROH － － － － － － －Si－OH ＋ HO－Si－ － － －Si－O－Si－ ＋ H2O － － － － － － 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 Water cooled surface Fibrous preform Infiltrated composite Graphite holder Perforated lid Heating element Reactant gases Cold surface Exhaust gas Hot surface Hot zone 5.2.4.2 化学蒸汽渗透法(CVI)
52陶瓷材料的加工5.4化学加工法 52陶瓷材料的加工524化学加工法 5242化学燕汽渗透法 52.43反应烧结法 碳化硅纤维十铝粉氧氧化铝碳化硅复合材料 反应熔体渗透法 碳化硅纤维十碘纤维」熔硅碳化硅碳化硅复合材料 A+B→AB 52陶瓷材料的加工52.4化学加工法 5陶瓷材料的加工5.4化学加工法 52.4.3反应烧结法 5244定向氧化法 例 Reinfor Growth barrier 碳化硅十碳粉】硅体Cs复合材料 Oxygen atmosphere 磁纤织物十砝蜂 s纤维S复合材料」 Reinforced ceramic 52陶瓷材料的加工5.4化学加工法 52陶瓷材料的加工5.2.4化学加工法 5244定向氧化法:外形复制 定向氧化法材料的性能 温度C四点挠曲强度MPa Chevron缺口韧性 MPam 2
5 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 5.2.4.2 化学蒸汽渗透法 例： 碳化硅纤维＋铝粉 氧化铝/碳化硅复合材料 反应熔体渗透法 碳化硅纤维＋碳纤维 氧 熔硅 碳化硅/碳化硅复合材料 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 A＋B AB 化学反应 烧结熔合 (a) (b) B A A A AB A A A 5.2.4.3 反应烧结法 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 5.2.4.3 反应烧结法 例 碳化硅＋碳粉 硅蒸汽 硅熔体 SiC/Si复合材料 碳纤维织物＋硅熔体 SiC纤维/Si复合材料 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 Molten alloy Preform Oxygen atmosphere Growth barrier Reinforced ceramic composite composite Reinforcement 5.2.4.4 定向氧化法 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 定向氧化法材料的性能 温度/°C 四点挠曲强度/MPa Chevron 缺口韧性/MPa•m1/2 21 461 27.8 1200 488 23.3 1300 400 19.2 1400 340 15.6 5.2陶瓷材料的加工 5.2.4 化学加工法 5.2.4.4 定向氧化法：外形复制
524.5聚合物前驱体法 硅树脂,如聚硅苯乙烯、乙烯基聚硅烷、聚硅氨烷、聚羰基硅烷等 53工程陶瓷材料 织物/型坯 密实材料再浸渍 密实陶瓷 53工程陶瓷材料 53工程陶瓷材料 53.1氧化物 53.1氧化物 氧化物的性能 性质[氧化铝匚铝红柱石尖晶石 氧化物 氧化物 复氧化物 AOAO2A-O3 石[尖品石钙钛矿 Mgo SiO2 AlO, 110-245 120-245 53工程陶瓷材料 .3工程陶瓷材料 532碳化物 532碳化物 碳化物的性能 碳化物 碳化物密度 间隙碳化物目离子碳化物共价碳化物 30410300836 碳化钨目碳化钛 碳化硼目碳化硅
6 织物/型坯 热解 固化 纺丝 纤维 密实材料 再浸渍 热解 固化 模具成型 预浸料 复合材料 陶瓷涂层 热解 固化 表面涂复 涂层 密实陶瓷 热解/烧结 固化 模压 与陶瓷粉混合 非挥发粘合剂 聚合物前驱体 重 复 硅树脂，如聚硅苯乙烯、乙烯基聚硅烷、聚硅氨烷、聚羰基硅烷等 5.2.4.5聚合物前驱体法 5.3 工程陶瓷材料 5.3 工程陶瓷材料 5.3.1 氧化物 氧化物的性能 5.3 工程陶瓷材料 5.3.1 氧化物 性质 氧化铝 铝红柱石 尖晶石 堇青石 氧化铝/氧化锆 化学成分 Al2O3 3Al2O3•2SiO2 MgO•Al2O3 2MgO•2Al2O3 •5SiO2 20.0wt% Al2O3 75.7 wt% ZrO2 4.2 wt% Y2O3 熔点/°C 2015 1830 2135 1470 -- 热胀系数/ (10−6 /°C） 8.3 4.5-5.3 7.6-8.8 1.4-2.6 9 导热系数/ (W/cm•K) 0.27 0.059 0.15 -- 0.035 杨氏模量/ GPa 366 150-270 240-260 139-150 260 挠曲强度/ MPa 550 500 110-245 120-245 2400 5.3 工程陶瓷材料 碳碳碳 碳碳碳 间隙碳化物 离子碳化物 碳碳碳 碳碳碳 共共碳碳共 碳碳共 5.3.2 碳化物 碳化物的性能 5.3 工程陶瓷材料 5.3.2 碳化物 碳化物 密度/ Mg/m3 熔点/ °C 韧性/ （MPa •m1/2） 模量/ GPa 拉伸 强度/ MPa 导热 系数/ W/m•K 硬度/ kg/mm2 B4C 2.51 2450 445 155 28 2900- 3100 SiC 3.1 2972 3.0 410 300 83.6 2800 TiC 4.94 3017 2500 WC 15.7 2800 2050- 2150 TaC 14.5 3800 1750
53工程陶瓷材料 氮化物 氯化物的性能 硅铝氧氦氧氮化硅氮化铝 (AIN MPa750950 30-3.7 4.344-5.7 TRUCTURAL APPLICATIONS Machine tools(Cutting tools) 54陶瓷的增韧 g Wear components(Pump and Valve) ◆ Heat exchangers ☆ Automotive products Aerospace components ☆ Medical products 54陶瓷的增韧 54陶瓷的增韧 释放能量的面积:元a2 单位面积的应变能 M IGE=Iaa/E=la/ 产生裂缝体系得到能量: E+4y a>>b 产生裂继体系的能量判据 临界点:0=f s
7 5.3 工程陶瓷材料 硅铝氧氮 氧氮化硅 (Si2N2O) 氮化铝 （AlN） 六方氮 化硼 (平行于 晶片) 六方氮 化硼 (垂直于 晶片) 立方氮 化硼 杨氏模量/GPa 300 275-280 260-350 100 20 150 挠曲强度/MPa 750-950 450-480 235-370 低低高 理论密度/% 2.90 3.20 2.27 2.27 3.48 热胀系数/ (10−6 /K） 3.0-3.7 4.3 4.4-5.7 2-6 1-2 -- 导热系数/ （W/m•K） 15-22 8-10 50-170 20 33 -- 氮化物的性能 5.3. 氮化物 金 属 陶 瓷 5.4 Mineral processing equipment Machine tools (Cutting tools) Wear components(Pump and Valve) Heat exchangers Automotive products Aerospace components Medical products STRUCTURAL APPLICATIONS 5.4 陶瓷的增韧 5.4 陶瓷的增韧 释放能量的面积：πa2 单位面积的应变能： E / E 2 1 / 2 1 2 1 2 0 σ 0σ 0 σ 0 σ ε = = 产生裂缝体系得到能量： 4aγ 产生裂缝体系的能量判据： σ0 σ0 2b a>>b 2a σ σ 5.4 陶瓷的增韧 4 0 2 2 2 0 > − + γ πσ ∂ ∂ a E a a − + 4 > 0 2 0 γ πσ E a 1 2 0 4 = = / a E f π γ 临界点： σ σ
54陶瓷的增韧 41陶瓷基复合材料 (a) Residual stress state around the dispersoid has 以G代替4来代表总的断裂功 a higher thermal expansion than the matrix(left) o=/)2 resulting in crack deflection(right) g(a)/=(EG)2 8 定义强度因子:K=o(ma)12 断裂韧性:K=(EG2 增韧机理 增韧机理(b) Crack bowing between dispersoid 增韧机理(c) Incorporation of metallic particles particles makes it possible for a crack to run around Bowed crack front °60。3° Primary crack front Direction of propagation 增韧机理(d) Whisker reinforcement involving debonding, deflection, and bridging 增韧机理(e)尹 Platelets bridging a crack Debonds Crack tip Matrix crack Whisker
8 5.4 陶瓷的增韧 以Gc代替4γ来代表总的断裂功 1 2 = / a EGc f π σ σ(πa)1/2=(EGc)1/2 定义强度因子：K=σ(πa)1/2 断裂韧性：Kc =(EGc)1/2 增韧机理 (a) Residual stress state around the dispersoid has a higher thermal expansion than the matrix (left), resulting in crack deflection (right) Crack propagation σrr σθθ ap > α 5.4.1 陶瓷基复合材料 增韧机理(b) Crack bowing between dispersoid particles Primary crack front Direction of propagation Bowed crack front 增韧机理(c) Incorporation of metallic particles makes it possible for a crack to run around Crack tip Debonds (around whisker) Whisker SiC Matrix crack 增韧机理(d) Whisker reinforcement involving debonding, deflection, and bridging σa α β l t y 增韧机理(e): Platelets bridging a crack
54陶瓷的增韧 541陶瓷基复合材料 纤维增韧机理 41陶瓷基复合材料 纤维拔出 盘状 增韧体几何 裂缝增长 形状的影响 纤维断裂 脱粘 00.1020.3040.5体积分歌v 54陶瓷的增韧 54陶瓷的增韧 541陶瓷基复合材料不同纤维基体结合力 中界国鳍合 5.4.2预应力法 体开囊 高子置换法 低界面结合 b)快速冷却法 纤拔出 54陶瓷的增韧 54陶瓷的增韧 543氧化错体系 543氧化钠体系 氧化的相变 单斜晶系t 四方晶系 1立方晶系 1170°C 2370°C
9 5.4 陶瓷的增韧 增韧体几何 形状的影响 棒状 盘状 表面积增加 球状 体积分数 Vf 相对韧性 Gc/Gc m 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 5.4.1 陶瓷基复合材料 裂缝增长 纤维拔出 脱粘 纤维断裂 5.4.1 陶瓷基复合材料 纤维增韧机理 5.4 陶瓷的增韧 5.4.1 陶瓷基复合材料 不同纤维/基体结合力 应力 应变 高界面结合 中界面结合 纤维断裂 纤维拔出 低界面结合 基体开裂 5.4 陶瓷的增韧 5.4.2 预应力法 a）离子置换法 b) 快速冷却法 1170°C 2370°C 单斜晶系 四方晶系 立方晶系 5.4 陶瓷的增韧 5.4.3 氧化锆体系 5.4 陶瓷的增韧 5.4.3 氧化锆体系 氧化锆的相变 体积膨胀 1 2 5 200 1200 1400 温度 °C
氧化锆增韧机理 54陶瓷的增韧 5.3氧化错体系 (1)微裂纹 比机理 稳定剂 氧化钙(CaO) 氧化镁(MgO) 韧性ZrO(1) 氧化钇(Y2O3) 性了rO2(2) 0.040.080.120.160.20 ZO2在AO3中的体积分数 54陶瓷的增韧 氧化锆增韧机理2)应力引发相转变机理 ol%e /ro. 半稳定ZrO 43氧化钠体系 陶瓷基体 氧化锆增韧材料 S一烧结 HP一热压 裂 转变区 543氧化皓体系 氧化锆增韧机理(3)表面层压缩机理 两种韧性氧化能陶瓷的力学性能 弹性模量导热系数 12 2m01%Y,0 PSZ一半氧化 TZP一四方多晶氧化
10 5.4 陶瓷的增韧 5.4.3 氧化锆体系 稳定剂： 氧化钙（CaO） 氧化镁（MgO） 氧化钇(Y2O3) （1）微裂纹 化机理 氧化锆增韧机理断裂韧性 (KIC) / MPa•m1/2 挠曲强度 MPa 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 ZrO2在Al2O3中的体积分数 强度ZrO2(2) 韧性ZrO2(1) 韧性ZrO2(2) 5.4 陶瓷的增韧 5.4.3 氧化锆体系 氧化锆增韧材料 18 15 12 9 6 3 0 断裂韧性(KIC)/MPa•m1/2 Vol% ZrO2 Al2O3 Si3N4 SiC S HP S HP HP 15 16 25 22 15 S－烧结 HP－热压 氧化锆增韧机理 (2) 应力引发相转变机理 陶瓷基体 裂缝 转变区 半稳定ZrO2 氧化锆增韧机理 （3）表面层压缩机理 5.4.3 氧化锆体系 两种韧性氧化锆陶瓷的力学性能 材料 密度 (g/cm3 ) 断裂韧性 MPa•m1/2 拉伸强度 （MPa） 弹性模量 （GPa） 导热系数 (W/m•K) Mg-PSZ 3wt% MgO 5.75 8-12 352 200 2 TZP 2mol% Y2O3 6.05 14 900 200 2 PSZ－半氧化锆 TZP－四方多晶氧化锆