【正文】 材料科學(xué)與工程學(xué)院 沖擊韌性、斷裂韌性低 KIC 約為金屬的 1/60~1/100 幾種材料的斷裂韌性 材料 KIC /45鋼 90 球墨鑄鐵 20~40 氮化硅陶瓷 ~5 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 (4)高溫強(qiáng)度高、蠕變抗力高 作為耐高溫材料，已在工程中獲得廣泛應(yīng)用 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氧化物陶瓷是指 包含氧元素的陶瓷 ，包括由金屬與非金屬元素的化合物構(gòu)成的非均勻固體物質(zhì)。主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵。 最重要的氧化物陶瓷是幾種簡單類型的氧化物：AO， AO2， A2O3， ABO3和 AB2O4等結(jié)構(gòu)類型 (A、 B表示陽離子 )。 工程意義較大的是純氧化物陶瓷，它們的熔點(diǎn)多數(shù)超過 2022℃ ，應(yīng)用最多的是 SiO2， Al2O3， ZrO2， MgO， CaO， BeO， ThO2等，以及一些氧化物之間的化合物如 3Al2O3Al2O3(尖晶石 )等。 氧化物陶瓷 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 以 αAl2O3為主晶相的陶瓷材料 晶體結(jié)構(gòu)： Al2O3目前已知有 10種同質(zhì)異晶體，主要有三種晶型： αAl2O3 βAl2O3 γAl2O3 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 αAl2O3的晶體結(jié)構(gòu) ?氧化鋁的結(jié)構(gòu)是 O2排成密排六方結(jié)構(gòu)， Al+3占據(jù)間隙位置。 ?根據(jù)含雜質(zhì)的多少，氧化鋁呈紅色 (如紅寶石 )或藍(lán)色 (如藍(lán)寶石 ) 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氧化鋁陶瓷的性能與用途 ?以基體中所含 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類 (75瓷， 95瓷， 99瓷 ……) ?隨 Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，機(jī)械強(qiáng)度，介電常數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)等也提高 表 33 幾種氧化物陶瓷的化學(xué)組成 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 ?優(yōu)點(diǎn)：硬度高、很好的耐磨性、耐蝕性和高溫性能 ?缺點(diǎn)：韌性低，抗熱振性能差，不能承受溫度的急劇變化 ?用于制造刀具、模具、軸承、熔化金屬的坩堝、高溫?zé)犭娕继坠?，以及化工行業(yè)中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑環(huán)、軸套和葉輪等。 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氧化鋯陶瓷 研發(fā)歷史 ?20世紀(jì) 20年代開始就被用做熔化玻璃和冶煉鋼鐵等的耐火材料； ?1968年，日本松下電器公司開發(fā)出氧化鋯非線性電阻元件； ?1973年，美國 ，能正確顯示汽車發(fā)動機(jī)的空氣 /燃料比， 1980年用于鋼鐵工業(yè)； ?1975年，澳大利亞 CaO為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定的氧化鋯，并首次利用陶瓷馬氏體相變的增韌相應(yīng)，提高了其韌性和強(qiáng)度； ?1982年，日本絕緣子公司和美國 Cummins發(fā)動機(jī)公司共同開發(fā)出節(jié)能柴油機(jī)缸套。 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 ZrO2陶瓷晶型及其轉(zhuǎn)化 ?單斜 (m)、四方 (t)、立方 (c) 3種晶系 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氧化鋯陶瓷的應(yīng)用 ?特點(diǎn)：密度大，硬度高，抗彎強(qiáng)度大 ,斷裂韌性高 (已知陶瓷中最高 ) ?應(yīng)用： 可用做內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)襯、活塞頂?shù)? 耐磨、耐腐蝕器件 模具 高溫發(fā)熱體材料，在空氣中最高發(fā)熱溫度可達(dá) 2200℃ 燃料電池材料等 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氧化鎂陶瓷 氧化鈹陶瓷 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷與氧化物陶瓷的區(qū)別： ?人工制備的 ?燒結(jié)需在保護(hù)氣氛中進(jìn)行 ?難熔、難燒結(jié) 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能對于現(xiàn)代技術(shù)經(jīng)常遇到的高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境，具有特殊的使用價(jià)值。比較突出的性能有： ?（ 1）機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性，耐磨。室溫抗彎強(qiáng)度可以高達(dá) 800~1000MPa，強(qiáng)度可以一直維持到1200℃ 不下降。 ?（ 2）熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)熱性能，所以抗熱震性很好，從室溫到 1000℃ 的熱沖擊不會開裂。 ?（ 3）化學(xué)性能穩(wěn)定，幾乎可耐一切無機(jī)酸（ HF除外）和濃度在 30%以下燒堿（ NaOH）溶液的腐蝕，也能耐很多有機(jī)物質(zhì)的侵蝕，對多種有色金屬熔融體（特別是鋁液）不潤濕，能經(jīng)受強(qiáng)烈的放射輻照。 ?（ 4）密度低，比重小，僅是鋼的 2/5，電絕緣性好。 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氮化硅的晶體結(jié)構(gòu) ?六方晶系， α、 β兩種晶型 ?αSi3N4低溫相， 1500℃ 轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?βSi3N4 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 氮化硅陶瓷的應(yīng)用 ?用于制造火箭尾噴管的噴嘴、澆注金屬用的喉嘴、電熱偶套管、加熱爐管以及燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等，還可用于熱交換器、耐火材料等。 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 兩種晶型 αSiC 六方結(jié)構(gòu) βSiC 面心立方 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 碳化硅陶瓷的性能和用途 ?熱導(dǎo)率高，優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和高溫蠕變 ?高電阻率 ?化學(xué)穩(wěn)定性高 ?性能比氮化硅更好 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 Si3N4Al2O3AlNSiO2系列化合物的總稱 塞隆陶瓷的性能 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 塞隆陶瓷的應(yīng)用 ?高溫?zé)Y(jié)材料 ?常溫和高溫下強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定 ?優(yōu)異的抗熔融腐蝕 ?熱機(jī)材料 (發(fā)動機(jī)針閥 ) ?切削材料 (熱硬性好于 CoWC合金， 1000℃ 以上高速切削 ) ?軸承等滑動部件及磨損件 (直接燒制成所需尺寸 ) 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 ?陶瓷與金屬材料的連接 ?陶瓷與非金屬材料的連接 ?陶瓷與半導(dǎo)體材料的連接 陶瓷材料固有的硬脆性使其難以加工，難以制成形狀復(fù)雜的高就，在工程應(yīng)用上受到很大的限制。故陶瓷通常是與金屬材料一起組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來使用。 陶瓷連接的形式 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 對接頭性能的要求 ?必須具有較高的強(qiáng)度 ?必須具有真空氣密性 ?接頭的殘余應(yīng)力應(yīng)最小，在使用過程中應(yīng)具有耐熱性、耐蝕性和熱穩(wěn)定性。 ?焊接工藝應(yīng)盡可能簡化，工藝過程穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低。 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2. 陶瓷與金屬連接存在的問題 線脹系數(shù)相差很大 → 很大的殘余應(yīng)力 控制應(yīng)力的方法 ： ? 減少焊接部位及其附近的溫度梯度，控制加熱和冷卻速度 ? 采用金屬中間層 陶瓷與金屬焊接中的熱膨脹與熱應(yīng)力 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陶瓷與金屬很難潤濕 為改善潤濕可以采取的方法： ? 采用活性金屬 ? 在陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理 連接處易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易生成各種碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物。 這些硬度高、脆性大的化合物，是產(chǎn)生裂紋和造成接頭脆性斷裂的主要原因。