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 W
D
2,孔隙中充满液体后的重量 W
S
3,在液体中且充满液体后的重量 W
L
2
5.1 陶瓷的性质真实体积：
真实密度：
5.1.1 密度
L
LD
R
d
WW
V
=
LD
LD
R
D
R
WW
dW
V
W
d
==
%100% ×
=
R
AR
R
d
dd
P真实孔隙率：
5.1 陶瓷的性质
L
LS
A
d
WW
V
=
表观体积：
SL
LD
A
D
A
WW
dW
V
W
d
==
表观密度：
5.1.1 密度与孔隙率
%100% ×
=
LS
DS
A
WW
WW
P表观孔隙率：
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/m
3
。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。
W
D
＝ 360,W
S
＝ 385,W
L
＝ 224,d
L
＝ 1
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度与孔隙率解,W
D
＝ 360,W
S
＝ 385,W
L
＝ 224,d
L
＝ 1。
24.2
224385
360
=
=
=
SL
D
A
WW
W
d
%5.15100
224385
360385
100% =×
=×
=
LS
DS
A
WW
WW
P
%30100
2.3
24.22.3
100% =×
=×
=
R
AR
R
d
dd
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 10152025
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
MP
a
400
350
300
250
200
150
100
50
5.1.3断裂韧性
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
S
1
S
2
B
W
S
1
S
2
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 SiO
2
68 6 ×10
2
0.6 72 94
A1
2
O
3
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
4
热压
：
陶瓷热压装置陶瓷材料的加工
5.2
5.2.3
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 Si
3
N
4
5% MgO >98 587 173
烧结 Si
3
N
4
5% MgO ~90 483 138
热压 Si
3
N
4
1% MgO >99 952 414
烧结 Si
3
N
4
BeSiN
2
+ SiO
2
>99 560 -
热压 Si
3
N
4
13% Y
2
O
3
>99 897 669
烧结 Si
3
N
4
6% Y
2
O
3
-98 587 414
热压与冷压烧结 Si
3
N
4
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淤浆混合机
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
O
H O
H O
H
O
H
O
H
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
O
HO
HO
H
OH
－
OH
－
O
H
O
HO
H
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
O
H
O
H O
H
H
O
H
O
HO
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
OH
H
O
O
H
H
O
O
H
O
H
OH
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
HO
O
H
O
H
O
H
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 ＋ H
2
O
－
－
－ Si－ OH ＋ ROH
－
－
－ Si－ OR ＋ HO － Si－
－
－
－ Si－ O － Si－＋ ROH
－
－
－
－
－
－
－ Si－ OH ＋ HO－ Si－
－
－
－ Si－ O－ Si－＋ H
2
O
－
－
－
－
－
－
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)
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＋ BAB
化学反应烧结熔合
(a)
(b)
B
A A
A
AB
AA
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?m
1/2
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
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 Al
2
O
3
3Al
2
O
3
2SiO
2
MgO?Al
2
O
3
2MgO?2Al
2
O
3
5SiO
2
20.0wt% Al
2
O
3
75.7 wt% ZrO
2
4.2 wt% Y
2
O
3
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/m
3
熔点 /
°C
韧性 /
（ MPa
m
1/2
）
模量 /
GPa
拉伸强度 /
MPa
导热系数 /
W/m?K
硬度 /
kg/mm
2
B
4
C 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
7
5.3 工程陶瓷材料硅铝氧氮氧氮化硅
(Si
2
N
2
O)
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,πa
2
单位面积的应变能：
EE /
2
1
/
2
1
2
1
2
0000
σσσεσ ==
产生裂缝体系得到能量：
4aγ
产生裂缝体系的能量判据：
σ
0
σ
0
2b
a>>b
2a
σσ
5.4 陶瓷的增韧
04
2
22
0
>
+? γ
πσ
a
E
a
a
0>4+?
2
0
γ
πσ
E
a
21
0
4
==
/
a
E
f
π
γ
σσ临界点：
8
5.4 陶瓷的增韧以 G
c
代替 4γ来代表总的断裂功
21
=
/
a
EG
c
f
π
σ
σ(πa)
1/2
=(EG
c
)
1/2
定义强度因子,K=σ(πa)
1/2
断裂韧性,K
c
=(EG
c
)
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
σ
rr
σ
θθ
a
p
> 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
σ
a
α
β
l
t
y
增韧机理 (e),Platelets bridging a crack
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 V
f
相对韧性
G
c
/G
c
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
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 (Y
2
O
3
)
（ 1）微裂纹化机理氧化锆增韧机理断裂韧性
(K
IC
) /
M
P
a
m
1/
2
挠曲强度
MP
a
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
ZrO
2
在 Al
2
O
3
中的体积分数强度 ZrO
2
(2)
韧性 ZrO
2
(1)
韧性 ZrO
2
(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
(K
IC
)/
M
P
a
m
1/
2
Vol% ZrO
2
Al
2
O
3
Si
3
N
4
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 ZrO
2
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/cm
3
)
断裂韧性
MPa?m
1/2
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% Y
2
O
3
6.05 14 900 200 2
PSZ－半氧化锆
TZP－四方多晶氧化锆
11
5.5 玻璃
5.5 玻璃玻璃：熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物无定形玻璃与晶体的体积变化图体积液体玻璃晶体熔融熔体状态温度液化温度
a
b
c
d
e
几种玻璃的粘度与温度之间的关系
10
15
10
13
10
11
10
9
10
7
10
5
10
3
10
1
粘度
(P
a?
s)
形变点熔硅石英玻璃退火温度硼硅软化温度钠钙铅碱成型温度熔融区成型区
2000 1200 800 600 500
1500 1000
5.5 玻璃玻璃中的组分可以分为三类：
1）形成体：能够独立形成网络的氧化物
SiO
2
,B
2
O
3
,GeO
2
2）中间体：不能独立形成网络的氧化物，但能够与形成体共同形成网络,Al
2
O
3
,V
2
O
5
,SeO
2
3）改性剂：不仅不能形成网络，随着添加量的增大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一般为碱金属与碱土金属的氧化物，如 Na
2
O,K
2
O,CaO，
MgO,BaO等。
5.5 玻璃
12
5.5 玻璃主要玻璃类型的成分玻璃 SiO
2
Na
2
OK
2
OCaOMgOPbOB
2
O
3
Al
2
O
3
钠钙 72 12 11 4 1
铅硅 63 7.6 6 0.3 0.2 21 0.2 0.6
硼硅 80.5 3.8 0.4 12.9 2.2
铝硅 57 1.0 5.5 12 4 20.5
石英 ＞ 96 少少 30.4
熔硅 ＞ 99
5.5 玻璃玻璃的加工至退火炉至退火炉液态锡熔融玻璃铂机头热区 冷区
5.5 玻璃玻璃器皿的加工
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 W
D
2,孔隙中充满液体后的重量 W
S
3,在液体中且充满液体后的重量 W
L
2
5.1 陶瓷的性质真实体积：
真实密度：
5.1.1 密度
L
LD
R
d
WW
V
=
LD
LD
R
D
R
WW
dW
V
W
d
==
%100% ×
=
R
AR
R
d
dd
P真实孔隙率：
5.1 陶瓷的性质
L
LS
A
d
WW
V
=
表观体积：
SL
LD
A
D
A
WW
dW
V
W
d
==
表观密度：
5.1.1 密度与孔隙率
%100% ×
=
LS
DS
A
WW
WW
P表观孔隙率：
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/m
3
。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。
W
D
＝ 360,W
S
＝ 385,W
L
＝ 224,d
L
＝ 1
5.1 陶瓷的性质
5.1.1 密度与孔隙率解,W
D
＝ 360,W
S
＝ 385,W
L
＝ 224,d
L
＝ 1。
24.2
224385
360
=
=
=
SL
D
A
WW
W
d
%5.15100
224385
360385
100% =×
=×
=
LS
DS
A
WW
WW
P
%30100
2.3
24.22.3
100% =×
=×
=
R
AR
R
d
dd
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 10152025
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
MP
a
400
350
300
250
200
150
100
50
5.1.3断裂韧性
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
S
1
S
2
B
W
S
1
S
2
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 SiO
2
68 6 ×10
2
0.6 72 94
A1
2
O
3
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
4
热压
：
陶瓷热压装置陶瓷材料的加工
5.2
5.2.3
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 Si
3
N
4
5% MgO >98 587 173
烧结 Si
3
N
4
5% MgO ~90 483 138
热压 Si
3
N
4
1% MgO >99 952 414
烧结 Si
3
N
4
BeSiN
2
+ SiO
2
>99 560 -
热压 Si
3
N
4
13% Y
2
O
3
>99 897 669
烧结 Si
3
N
4
6% Y
2
O
3
-98 587 414
热压与冷压烧结 Si
3
N
4
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淤浆混合机
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
O
H O
H O
H
O
H
O
H
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
O
HO
HO
H
OH
－
OH
－
O
H
O
HO
H
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
O
H
O
H O
H
H
O
H
O
HO
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
OH
H
O
O
H
H
O
O
H
O
H
OH
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
HO
O
H
O
H
O
H
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 ＋ H
2
O
－
－
－ Si－ OH ＋ ROH
－
－
－ Si－ OR ＋ HO － Si－
－
－
－ Si－ O － Si－＋ ROH
－
－
－
－
－
－
－ Si－ OH ＋ HO－ Si－
－
－
－ Si－ O－ Si－＋ H
2
O
－
－
－
－
－
－
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)
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＋ BAB
化学反应烧结熔合
(a)
(b)
B
A A
A
AB
AA
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?m
1/2
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
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 Al
2
O
3
3Al
2
O
3
2SiO
2
MgO?Al
2
O
3
2MgO?2Al
2
O
3
5SiO
2
20.0wt% Al
2
O
3
75.7 wt% ZrO
2
4.2 wt% Y
2
O
3
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/m
3
熔点 /
°C
韧性 /
（ MPa
m
1/2
）
模量 /
GPa
拉伸强度 /
MPa
导热系数 /
W/m?K
硬度 /
kg/mm
2
B
4
C 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
7
5.3 工程陶瓷材料硅铝氧氮氧氮化硅
(Si
2
N
2
O)
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,πa
2
单位面积的应变能：
EE /
2
1
/
2
1
2
1
2
0000
σσσεσ ==
产生裂缝体系得到能量：
4aγ
产生裂缝体系的能量判据：
σ
0
σ
0
2b
a>>b
2a
σσ
5.4 陶瓷的增韧
04
2
22
0
>
+? γ
πσ
a
E
a
a
0>4+?
2
0
γ
πσ
E
a
21
0
4
==
/
a
E
f
π
γ
σσ临界点：
8
5.4 陶瓷的增韧以 G
c
代替 4γ来代表总的断裂功
21
=
/
a
EG
c
f
π
σ
σ(πa)
1/2
=(EG
c
)
1/2
定义强度因子,K=σ(πa)
1/2
断裂韧性,K
c
=(EG
c
)
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
σ
rr
σ
θθ
a
p
> 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
σ
a
α
β
l
t
y
增韧机理 (e),Platelets bridging a crack
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 V
f
相对韧性
G
c
/G
c
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
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 (Y
2
O
3
)
（ 1）微裂纹化机理氧化锆增韧机理断裂韧性
(K
IC
) /
M
P
a
m
1/
2
挠曲强度
MP
a
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
ZrO
2
在 Al
2
O
3
中的体积分数强度 ZrO
2
(2)
韧性 ZrO
2
(1)
韧性 ZrO
2
(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
(K
IC
)/
M
P
a
m
1/
2
Vol% ZrO
2
Al
2
O
3
Si
3
N
4
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 ZrO
2
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/cm
3
)
断裂韧性
MPa?m
1/2
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% Y
2
O
3
6.05 14 900 200 2
PSZ－半氧化锆
TZP－四方多晶氧化锆
11
5.5 玻璃
5.5 玻璃玻璃：熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物无定形玻璃与晶体的体积变化图体积液体玻璃晶体熔融熔体状态温度液化温度
a
b
c
d
e
几种玻璃的粘度与温度之间的关系
10
15
10
13
10
11
10
9
10
7
10
5
10
3
10
1
粘度
(P
a?
s)
形变点熔硅石英玻璃退火温度硼硅软化温度钠钙铅碱成型温度熔融区成型区
2000 1200 800 600 500
1500 1000
5.5 玻璃玻璃中的组分可以分为三类：
1）形成体：能够独立形成网络的氧化物
SiO
2
,B
2
O
3
,GeO
2
2）中间体：不能独立形成网络的氧化物，但能够与形成体共同形成网络,Al
2
O
3
,V
2
O
5
,SeO
2
3）改性剂：不仅不能形成网络，随着添加量的增大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一般为碱金属与碱土金属的氧化物，如 Na
2
O,K
2
O,CaO，
MgO,BaO等。
5.5 玻璃
12
5.5 玻璃主要玻璃类型的成分玻璃 SiO
2
Na
2
OK
2
OCaOMgOPbOB
2
O
3
Al
2
O
3
钠钙 72 12 11 4 1
铅硅 63 7.6 6 0.3 0.2 21 0.2 0.6
硼硅 80.5 3.8 0.4 12.9 2.2
铝硅 57 1.0 5.5 12 4 20.5
石英 ＞ 96 少少 30.4
熔硅 ＞ 99
5.5 玻璃玻璃的加工至退火炉至退火炉液态锡熔融玻璃铂机头热区 冷区
5.5 玻璃玻璃器皿的加工
