结构陶瓷材料 第一章 绪论 第二章 结构陶瓷的结构性能 第三章 氧化铝陶瓷 第四章 氧化锆陶瓷 第五章 非氧化物陶瓷 第六章 纳米陶瓷 第七章 陶瓷基复合材料 第八章 结构陶瓷材料的应用第一章 绪论 1、材料按组分划分： 金属材料、无机非金属材料、有机高 分子材料 目标：95011000C 超耐热合金 120016000C 只有陶瓷无机非金属材料复合材料高分子材料金属材料木材 皮革 纤维纸青铜铁钢金皮胶橡胶赛璐珞陶 玻璃水泥火石合金钢耐热合金先进功能陶瓷各种基体复合材料功能高分子高温高分子高强高模高分子通用高分子韧性工程陶瓷金属陶瓷耐火材料时间 / 年相对占有量玻璃态金属5000 公元前0 公元1000 150018001900194019601980199020002010纤维增强塑料稻草杆砖微合金钢骨瓷二、 材 料 的 发 展 历 史（1）从发展看，到二十一世纪，金属材料、高分子材料、无机非金属材 料、复合材料将出现四大类工程材料平分秋色的局面。（2）美国认为，在先进材料、电子信息技术、生物技术三大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用，并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位的关键技术领域。材料今后的发展方向（3）对新一代材料的主要要求：a. 既是结构材料又具有多种功能的材料；b. 具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料；c. 制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料；d. 充分利用自然资源，能循环作用的可再生性材料；e. 少维修或不维修的长寿命材料。三、陶瓷材料的发展 1、陶（800900oC）：第一个人工制成 的材料 1万年前，南方的洞穴遗址 8千年前： 甘肃大地湾遗址 7千年前，河姆度遗址、磁山遗址 新石器时代：仰韶文化、龙山文化 周朝 （12000C） 釉陶：秦代 瓷（周朝、汉朝13000C) 青瓷、白瓷、彩瓷 区别：胚体的空隙率（原料和烧成温度）裴李岗文化时期的陶器（距今约8000年）。出土于河南省郑州市新郑市裴李岗村。出土的陶器主要以泥质红陶和夹砂红陶为主，红陶在中国出现最早，烧成温度900左右。仰韶文化时期陶器1972年河南省郑州市大河村出土器形浑圆端正，器壁薄而均匀，将黑陶制品表面打 磨光滑，乌黑发亮，薄如蛋壳，厚度仅1mm，人称“蛋壳陶”。龙山文化时期出土的黑陶（距今约46004000年）“第一次飞跃”： 殷商时代的陶器从无釉到有釉商代早期陶器商代几何纹白陶瓿 陶器向瓷器过渡彩绘陶甗黄釉舞乐扁壶“第二次飞跃”：汉代以后，釉陶逐渐发展成瓷器。东汉越窑青瓷是迄今为止我国发掘的最早瓷器， 一直贯穿到宋代的五大名窑(汝、定、官、越、钧) 。 “第三次飞跃”：唐代是瓷器由半透明釉发展到半透明胎。唐代越窑的青瓷、邢窑的白瓷、宋代景德镇湖田、湘湖窑的影青瓷都享有盛名。唐三彩钧瓷景德镇陶瓷2、陶瓷的定义“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。粘土矿物高岭石钾长石石英 19世纪：经高温热处理所合成的无机非金 属材料 1968年、美国： 以无机非金属物质为主的固体材料及其制 备与应用的科学和技术 3、传统陶瓷、特种陶瓷（新型陶瓷、先进陶瓷） 四、特种陶瓷的分类 功能陶瓷、结构陶瓷 1、结构陶瓷：先进陶瓷中发挥其机械、热 、化学等效能的一大类材料。 高温下作为结构材料使用，高温结构陶瓷 工程陶瓷 2、性能特点： 较高的室温强度、硬度、耐磨性和耐化学 腐蚀性 耐高温、耐腐蚀、耐磨性、耐冲刷 脆性、低可靠性、重复性差 (1)导电陶瓷 (2)介电陶瓷 (3)压电陶瓷 (4)半导体陶瓷 3、功能陶瓷氧化铝陶瓷制品氧化锆陶瓷 按性能与使用领域分类： 机械陶瓷： 热机陶瓷： 生物化工陶瓷： 核陶瓷及其他：Si3N4基陶瓷球轴承高压钠灯高压钠灯透明氧化铝陶瓷五、结构陶瓷的地位与作用 现代高新技术、新兴产业和传统工业技 术改造的物质基础 发展现代军事技术和生物医学不可缺少 的材料 1、科学技术发展的作用 （空间技术中热防护系统）2、建立和发展高新技术产业 光通讯工业：光纤接头处结构材料、氧化锆陶瓷 电子工业：电路板基板 ALN、AL2O3 机械工业：SIN系列、SIC系列ZrO2、Al2O3增 韧系列、陶瓷基复合材料 热机热机 陶瓷热 耐高温、低重量、低摩擦、耐损耗 少燃料损耗，提高使用寿命 电热塞、镶块、转子、内衬用高温结构陶瓷做的发动机叶片用高温结构陶瓷做的发动机叶片回收废热高温交换器冶炼工业：耐火材料是指耐火温度不低于1580, 并在高温下能耐气体、熔融金属、熔融炉渣等物质侵 蚀，而且有一定机械强度的无机非金属材料。硅砖镁砖高铝砖 陶瓷刀具 节约成本80亿美元 金属热挤压模： 部分稳定氧化锆较碳化物挤压模，寿命提 高350，生产效率提高300，成本下降 50刀具的切削性能刀具的切削性能 高硬度刀具材料的硬度必须须高于被加工工件材料的硬度，以使刀具在高温、高压压下 仍能保持刀具锋锋利的几何形状。常温下，刀具材料的硬度都在HRC62以上足够够的 强度和 韧韧性刀具切削部分的材料在切削时时要承受很大的切削力和冲击击力，因此刀具材料 必须须要有足够够的强度和韧韧性，一般用刀具材料的抗弯强度b表示它的强度 大小，用冲击韧击韧 度k表示其韧韧性的大小。它们们反映刀具材料抵抗脆性断裂 和崩刃的能力高耐磨 性和耐 热热性刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损损的能力，一般来说说，刀具材料的硬度越高， 耐磨性越好；耐热热性通常用材料在高温下保持较较高硬度的性能来衡量，即红红 硬性，耐热热性越好，刀具材料在切削过过程中抗变变形和抗磨损损的能力就越强良好的 导热导热 性刀具材料的导热导热 性用热导热导 率表示，热导热导 率大导热导热 性能好，切削时产时产 生的热热 容 易传导传导 出去，从而降低刀具切削部分的温度，减轻轻道具的磨损损，提高刀具材 料耐热热冲击击和抗热龟热龟 裂的能力良好的 工艺艺性刀具材料要有较较好的可加工性，包括：锻压锻压 、焊焊接、切削加工、热处热处 理、可 磨性等，以方便刀具的制造经济经济 性价格便宜，容易推广使用，获获得好的效益高速钢高速钢 钨钴类钨钴类YGYG钨钛钴类钨钛钴类YTYT高性能高速钢高性能高速钢普通高速钢普通高速钢硬质合金硬质合金钨钛钽（铌）钴类钨钛钽（铌）钴类YWYW涂层涂层/ /陶瓷陶瓷 纯氧化铝类（白色陶瓷纯氧化铝类（白色陶瓷 ） TiCTiC添加类（黑色陶瓷添加类（黑色陶瓷） 立方碳化硼立方碳化硼CNBCNB 聚晶金刚石聚晶金刚石 ND 常用刀具材料常用刀具材料 合金钢加钨合金钢加钨W/W/钼钼Mo/Mo/钒钒V/V/铬铬Cr/Cr/ 钴钴CoCo等等, ,强度高、韧性好、易加强度高、韧性好、易加 工，工，HRC6267,Vc 60m/min.HRC6267,Vc 60m/min.用钼用钼Mo/Mo/镍镍Ni/Ni/钴钴CoCo等将等将 WC/TiC/TaCWC/TiC/TaC粘合烧结而成粘合烧结而成, ,耐耐 热、高硬、但韧性差、加工性热、高硬、但韧性差、加工性 差。差。HRC80,Vc =HRC80,Vc =（410410）V V高速高速. .高硬高硬HRC78HRC78 、耐热、耐热, ,抗弯性差、韧性差抗弯性差、韧性差 ，抗冲击能力差，抗冲击能力差， 易崩刃。易崩刃。刀具材料选用刀具材料选用 涂层硬质合金刀具视涂层材质按相应硬质合金适用 性选用。 陶瓷刀片常用于无冲击振动的连续高速车削。 立方氮化硼用于高硬、高强度难切削的铁族材料加 工，如淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等。 金刚石多用于有色金属及其合金的高速精细加工， 如镜面车削。3、节约资源和节能 陶瓷热交换器 3050% 陶瓷发动机 10204、军事技术 超音速飞机，陶瓷基纤维复合材料 研究经费 42 防弹衣、防弹装甲 ，氧化铝陶瓷装甲 导弹、飞船的端头帽， 碳石英系陶瓷基复合材料， 5、生物医学 牙齿、关节及药物载体 是作为生物医学材料的陶瓷，通常由在生理环境中 存在的离子（Ca、P、K、Na等）或对人体只有极小毒 性的离子（Al、Ti等）所构成生物陶瓷包括: 近惰性生物陶瓷：氧化铝、氧化锆生物陶瓷等 表面活性生物陶瓷：羟基磷石灰生物活性陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等 可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三钙陶瓷等主要用于肌肉-骨骼系统的修复和替换，也可用于心 血管系统的修复和制作药物释放与传递载体用生物陶瓷制成的插入式软骨牙根种植体弯曲强度：450MPa 硬度：莫氏9级球面光洁度：10 晶粒尺寸：6mm 生物涂层结合强度：30Mpa 采用羟基磷灰石适用于人体松质骨骨折、截骨术 和关节融合术的骨块（段）固定。 六、需要考虑的问题： 1）材料的可靠性，充分掌握材料组分、显维结构 和性能之间的关系，研究陶瓷材料的最佳工艺， 研究现有陶瓷材料的性能及改性的主要途径 2）材料的可利用性，发掘陶瓷材料的潜能和开发 新的陶瓷材料 3）半成品的精加工技术、金属化与焊接技术研究 4）材料的制作成本 5）市场前景七、发展趋势 1）多相复合陶瓷 从单相和高纯度的特点向多相复合的方向发展 2）从微米（粉体和显维结构）尺度向纳米尺度 纳米陶瓷：指陶瓷材料的显维结构中，晶粒、晶 界及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平，包括 晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸以 及缺陷尺寸都处于纳米级。 3）从经验式、炒菜式向 按性能和使用要求对陶瓷材料进行剪裁和设计八、我国的陶瓷发展 20世纪50年代开展 氧化物陶瓷 Al2O3 60年代 核工业和电子工业，BeO、CaO、立方ZrO2 火箭技术，TI3B4、Zr3B4、Si3N4、SiC 氧化物相图研究 70年代，陶瓷增韧，C/SiO2材料 MSiAlON多元相图 80年代，陶瓷增韧、增强，ZrO2相变增韧 陶瓷发动机，氧化物陶瓷、氮化物陶瓷以及其复合材料 常温和高温力学性能研究，包括陶瓷材料的评估、无损检 测和寿命预测 90年代： 纳米陶瓷研究 多相复合陶瓷研究 1）化学相容性 2）物理相容性 陶瓷材料的的剪裁与设计