工程材料网络课程 4 陶瓷材料 4.2 常用工业陶瓷

发布日期:[13-02-13 19:04:13] 浏览人次:[]

一、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2,Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料,经成型、烧结而成的陶瓷。 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2),占25~30%,玻璃相占35~60%,气相占1~3%。

普通陶瓷加工成型性好,成本低,产量大。除日用陶瓷、瓷器外,大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。

二、新型结构陶瓷

⑴ 氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷,又称高铝陶瓷。

根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3,又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷,后两者又称刚玉瓷。

氧化铝陶瓷耐高温性能好,可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).

氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料,如耐火砖、坩埚、热偶套管,淬火钢的切削刀具、金属拔丝模,内燃机的火花塞,火箭、导弹的导流罩及轴承等。

⑵ 氮化硅(Si3N4)陶瓷

氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。

① 氮化硅的制备与烧结工艺

工业硅直接氮化:3Si+2N2→Si3N4

二氧化硅还原氮化:3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO

烧结工艺 优点 缺点
反应烧结 烧结时几乎没有收缩,能得到复杂的形状 密度低,强度低,耐蚀性差
热压烧结 用较少的助剂就能致密化,强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状,烧结助剂使高温强度降低

③ 性能特点及应用

氮化硅的强度、比强度、比模量高;硬度仅次于金刚石、碳化硼等;摩擦系数仅为0.1~0.2;热膨胀系数小;抗热震性大大高于其他陶瓷材料;化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件,如切削刀具、高温轴承等。

反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件,如机械密封环等。

⑶ 碳化硅(SiC)陶瓷

碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。

碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成:SiO2+3C→SiC+2CO。

碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜,因此很难烧结,需添加烧结助剂促进烧结,常加的助剂有硼、碳、铝等。

碳化硅的最大特点是高温强度高,有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能,其热传导能力很强,仅次于氧化铍陶瓷。

碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承,泵的密封圈、拉丝成型模具等。

⑷ 氧化锆陶瓷

氧化锆的晶型转变:立方相-四方相-单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速,引起很大的体积变化,易使制品开裂。

在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体,不再发生相变,具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ),其力学性能低,抗热冲击性差。减少加入的氧化物数量,使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定,所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。

氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时,这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛,增加裂纹扩展阻力,从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。

部分稳定氧化锆的导热率低,绝热性好;热膨胀系数大,接近于发动机中使用的金属,抗弯强度与断裂韧性高,除在常温下使用外,已成为绝热柴油机的主要侯选材料,如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。

氧化锆制品

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