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常见陶瓷材料性能及运用

作者: 来源: 日期:2013/1/30 19:04:56 人气:6808

摘要:陶瓷材料因组成元素的不同会产生不同的性能,它作为一种结构材料在各行业得到广泛的应用
(一)前言
20世纪后期随着许多新技术(如电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等)的兴起,以及基础理论(如矿物学、冶金学、物理学等)和测试技术(如电子显微镜技术、X射线衍射技术和各种频谱仪等)的发展,人们对材料结构和性能之间的关系有了深刻认识。通过控制材料的化学成分和微观组织结构,研制出了许多具有不同性能的陶瓷材料,如各种功能陶瓷(电子材料、光导纤维、敏感陶瓷材料)及高温结构陶瓷。与传统陶瓷材料相比其强度得到了成百上千倍的提高,再加上陶瓷材料本身具备的优异的耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘等特性,使其在许多重要领域得到了越来越广泛的应用。
常用上程陶瓷材料主要包括:金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物,以及非金属元素所组成的化合物,如硼和硅的碳化物和氮化物。
根据其元素组成的不同可以分为:氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷。此外,近年来玻璃陶瓷作为结构材料也得到了广泛的应用。
(二)氧化物陶瓷
氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主,存在部分共价键,因此具有许多优良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点,良好的电绝缘性能,特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性,在上程领域已得到了较广泛的应用。
(1)氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷又称刚玉瓷,一般以α-A1203为主晶相。根据A1203含量和添加剂的不同,有不同系列。如根据A1203含量不同可分为75瓷,85瓷,95瓷,99瓷等;根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉-莫来瓷和刚玉瓷;根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。
Al203陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种;A1203陶瓷与大多数熔融金属不发生反映,只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用;热的硫酸能溶解A1203,热的HCl, HF对其也有一定腐蚀作用;A1203陶瓷的蒸汽压和分解压都是最小的。由于A1203陶瓷优异的化学稳定性,可广泛地用于耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套,输送酸的管道内衬和阀门等。
氧化铝的含量高于95%的Al203陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点,因而在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。
A1203陶瓷的高硬度和耐磨性在机械领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨零件、刀具。各种发动机中还大量使用A1203陶瓷火花塞。
透明Al203陶瓷对于可见光和红外线有良好的透过性,同时具有高温强度高、耐热性好、耐腐蚀性强等特点。可用于制造高压钠灯灯管、红外检测窗口材料等。
(2)氧化锆(Zr02)陶瓷
Zr02有二种锆同素异形体立方结构(c相)、四方结构(t相)及单斜结构(m相)。根据所含相的成分不同,Zr02陶瓷可分为稳定Zr02陶瓷材料、部分稳定Zr02陶瓷。
Ⅰ稳定Zr02陶瓷
稳定Zr02陶瓷主要由立方相组成,其耐火度高、比热与导热系数小,是理想的高温隔热材料,可以用做高温炉内衬,也可作为各种耐热涂层。
稳定Zr02陶瓷化学稳定性好,高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀,但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第V , VI ,VII族金属元素与其不发生反应,可以用来作为熔炼这此金属的坩埚。
纯Zr02是良好的绝缘体,由于其明显的高温离子导电特性,可作为2000℃使用的发热元件,高温电极材料,还可用作产生紫外线的灯。
此外利用稳定Zr02的氧离子传导特性,可制成氧气传感器,进行氧浓度的测量。
Ⅱ部分稳定Zr02陶瓷
部分稳定Zr02陶瓷由t c双相组织组成,具有非常高的强度,断裂韧性和抗热冲击性能,被称为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小,隔热效果好,而热膨胀系数又比较大,比较容易与金属部件匹配,在日前所研制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。
部分稳定Zr02陶瓷还可作为采矿和矿物工业的无润滑轴承,喷砂设备的喷嘴,粉末冶金上业所用的部件,制药用的冲压模等。
另外,部分稳定Zr02陶瓷还可用作各种高韧性,高强度工业与医用器械。如纺织工业落筒机用剪刀、羊毛剪,磁带生产中的剪刀,微电子工业用工具,此外由于其不与生物体发生反应,也可用作生物陶瓷材料。
(3) MgO陶瓷
MgO陶瓷的主晶相为MgO,属立方晶系氯化钠结构,熔点2800℃,理论密度3.58 g/cm2,在高温下比体积电阻高,介质损耗低,介电系数为9.12具有良好的电绝缘性,属于弱碱性物质。MgO对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力,与镁、镍、铀钍、铝、钼等不起作用,可用于制备熔炼金属的坩锅、浇注金属的模子,高温热电偶的保护管,高温炉的炉衬材料等。
(三)氮化物陶瓷
氮化物包括非金属和金属元素氮化物,他们是高熔点物质。氮化物陶瓷的种类很多,但都不是天然矿物,而是人工合成的。日前工业上应用较多的氮化物陶瓷有氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN)等。
(1)氮化硅(Si3N4)陶瓷
Si3N4陶瓷材料的热膨胀系数小,因此具有较好的抗热震性能;在陶瓷材料中,Si3N4的弯曲强度比较高,硬度也很高,同时具有自润滑性,摩擦系数小,与加油的金属表明相似,作为机械耐磨材料使用具有较大的潜力;Si3N4陶瓷材料的常温电阻率比较高,可以作为较好的绝缘材料;Si3N4陶瓷耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀,也不被铅、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀;高温氧化时材料表面形成的氧化硅膜可以阻碍进一步氧化,抗执化温度达1800℃。
Si3N4陶瓷可用作热机材料、切削工具、高级耐火材料,还可用作抗腐蚀、耐磨损的密封部件等。
(2)氮化铝(AlN)陶瓷
AIN属于共价键化合物,六方晶系,纤维锌矿型结构,白色或灰白色,密度3.26g/cm2,无熔点,在2200℃- 2250℃升华分解,热硬度很高,即使在分解温度前也不软化变形。具有优异的抗热震性。AlN对Al和其它熔融金属、砷化稼等具有良好的耐蚀性,尤其对熔融Al液具有极好的耐侵蚀性,此外,还具有优良的电绝缘性和介电性质;但AlN的高温抗氧化性差,在大气中易吸潮、水解。
AlN可以用作熔融金属用坩锅、热电偶保护管、真空蒸镀用容器,也可用作真空中蒸镀金的容器、耐热砖等,特别适用于作为2000℃左右氧化性电炉的炉衬材料;AlN的导热率是A1203的2-3倍,热压时强度比Al203还高可用于高强度、高导热的场合,例如大规模集成电路的基板等。
(3)氮化硼(BN)陶瓷
氮化硼(BN)陶瓷存在着六方与立方结构两种BN材料。
Ⅰ六方BN
六方BN具有自润滑性,可用于机械密封、高温固体润滑剂,还可用作金属和陶瓷的填料制成轴承。其耐热性非常好,可以在900℃以下的氧化气氛中和2800℃以下的氮气和惰性气氛中使用。六力BN对酸碱和玻璃熔渣有良好的耐侵蚀性,对大多数熔融金属既不润湿也不发生反应,因此可以用作熔炼有色金属、贵金属和稀有金属的坩锅、器皿等部件。BN既是热的良导体,又是电的绝缘体。它的击穿电压是氧化铝的4- 5倍,介电常数是氧化铝的1/2,可用来做超高压电线的绝缘材料。BN对微波和红外线是透明的,可用作透红外和微波的窗口。BN在超高压下性能稳定,可以作为压力传递材料和容器。BN是最轻的陶瓷材料,可以用于飞机和宇宙飞行器的高温结构材料。此外,利用BN的发光性,可用作场致发光材料。涂有BN的无定形碳纤维可用于火箭的喷嘴等。
Ⅱ立力BN
立方BN为闪锌矿结构,化学稳定性高,导热及耐热性能好,其硬度与人造金刚石相近,是性能优良的研磨材料。与金刚石相比,其最突出的优点在于高温下不与铁系金属反应,并且可以在1400℃的温度使用。
立力BN除了直接用作磨料外,还可以将其与某些金属或陶瓷混合,经烧结制成块状材料,作为各种高性能切削刀具。
(四)碳化物陶瓷
典型碳化物陶瓷材料一有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)碳化钛(TiC)碳化锆( ZrC等)、碳化物的共同特点是高熔点,许多碳化物的熔点都在3000℃以上。碳化物在非常高的温度下均会发生氧化,但许多碳化物的抗氧化能力都比W,Mo等高熔点金属好。大多数碳化物都具有良好的电导率和热导率,许多碳化物都有非常高的硬度,特别是B4C的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼,但碳化物的脆性一般较大。
(1)碳化硅(SiC)陶瓷
碳化硅没有熔点,在常压下2500℃时发生分解。碳化硅的硬度很高,莫氏硬度为9.2-9.5,显微硬度为33400MPa,仅次于金刚石、立力BN和B4C等少数几种物质。
碳化硅的热导率很高,大约为Si3N4的2倍;其热膨胀系数大约相当于A1203的1/2;抗弯强度接近Si3N4材料,但断裂韧性比Si3N4小;具有优异的高温强度和抗高温蠕变能力,热压碳化硅材料在1600℃的高温抗弯强度基本和室温相同;抗热震性好。其化学稳定性高,不溶于一般的酸和混合酸中。
氧化物、氮化物结合碳化硅材料已经大规模地用于冶金、轻工、机械、建材、环保、能源等领域地炉膛结构材料、隔焰板、炉管、炉膛等;碳化物材料制备的发热元件正逐步1600℃以下氧化气氛加热的主要元件;高性能碳化硅材料可以用于高温、耐磨、耐腐蚀机械部件;碳化硅材料用于制造火箭尾气喷管高效能热交换器也取得了良好的效果;此外,碳化硅是各种高温燃气轮机高温部件提高使用性能的重要候选材料。
(2)碳化硼(BC)陶瓷
碳化硼的显著特点是高熔点(约2450℃);低比重,其密度仅是钢的1/3;低膨胀系数;高导热;高硬度和高耐磨性,其硬度仅低于金刚石和立方BN;较高的强度和一定的断裂韧性,热压B4C的抗弯强度为400-600MPa,断裂韧性为6.0MPa.ml/2;具有较大的热电动势(100 μV/k),是高温P型半导体,随B4C中碳含量的减少,可从P型半导体转变为N型半导体;具有高的中子吸收截面。
B4C所具有的优异性能,除了大量用作磨料之外,还可以制作各种耐磨零件、热电偶元件、高温半导体、宇宙飞船上的热电转化装置、防弹装甲、反应堆控制棒与屏蔽材料等。
(五)玻璃陶瓷材料
将特定组成(含晶核剂)的玻璃进行晶化热处理,在玻璃内部均匀析出大量微小晶体并进一步长大,形成致密微晶相,玻璃相填充于晶界,得到像陶瓷一样的多晶固体材料统称为玻璃陶瓷,也称之为微晶玻璃。
(1)低膨胀玻璃陶瓷
这类玻璃陶瓷的特点是其显微组织为架状硅酸盐,主晶相分别为β一石英、β一钾辉石、β一钾霞石,具有热膨胀系数低(可为负值)、强度高、热稳定性能好、使用温度高等特点,并可制成透明和浊白两种类型。低膨胀系数对于构件尺寸稳定性及抗热震是十分有利的,所以可以用作航天飞机上尺寸稳定性要求高的零件。低膨胀玻璃陶瓷是目前生产量最大的玻璃陶瓷,广泛用来制作各种高级炊具、高温作业观察窗、微波炉盖、大型天文望远镜和激光反射镜的支撑棒,激光元器件以及航天飞机上的重要零部件。
(2)表面可强化玻璃陶瓷
玻璃陶瓷的强度比一般玻璃要大好几倍,抗弯强度可达到88-250MPa,但在某些特殊场合仍然不能满足要求,需要进一步提高强度。由于脆性材料的破坏大多起源于表面微裂纹,可以采用在玻璃陶瓷材料表面引入压应力薄层的方法,阻止表面微裂纹的扩展,从而提高材料的强度。通常采用的两种方法有两种,一是利用表层和内部热膨胀差引入表面压应力层,二是采用离子交换引入表面压应力层。
(3)可加工玻璃陶瓷
可加工玻璃陶瓷容易机械加工的主要原因在于其主晶相为氟云母结构,已发现可加工玻璃陶瓷中的氟云母主要有3种:氟金云母、四硅氟云母和锂云母。由于云母片易于解理,这种独特的显微结构使得含云母的玻璃陶瓷可以采用普通的钻、锯或车削、磨等加工到精密尺寸。以氟云母为主晶相的可加工玻璃陶瓷,具有高热震抗力、优异的绝缘性能、高介电强度;低介电损耗。碱土云母可加工玻璃陶瓷具有较高的强韧性、更高的热稳定性(>1100℃)和绝缘性。因此,可加工玻璃陶瓷,在电绝缘、微波技术以及精密仪器和航空、航天领域具有广阔的应用前景。
不同元素组成的陶瓷材料有不同的应用领域,总的来说今后陶瓷的发展趋势主要是对高延展性、超高强、超高韧、超高硬和耐高温的材料的探索,具体来说主要有:
1)向多层次、多相复合陶瓷方向发展;强韧化从纤维增韧晶须增韧、颗粒弥散强化、相变增韧等发展到协同增韧;
2)向纳米陶瓷方向发展;
3)加强陶瓷材料的剪裁与设计,如晶界和界面设计、晶粒取向设计、多相之间的复合设计、仿生结构设计等;
4)高性能多孔陶瓷材料;
5)突破低成本、高性能先进陶瓷制备工艺技术。

 

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