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