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结构陶瓷

文章出处:微汉迪 人气:发表时间:2017-07-14 11:38

主要是利用材料的耐高温及其优异力学性质的精细陶瓷。结构陶瓷可分为氧化物结构陶瓷(均为氧化物或以氧化物为主)和非氧化物结构陶瓷(均为非氧化物或以非氧化物为主)两大类。
 

氧化物结构陶瓷   包括氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷和莫来石陶瓷。
 

氧化锆陶瓷   包括部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ)、四方氧化锆多晶陶瓷(TZP)和以TZP为母体的增韧氧化锆陶瓷。
 

(1)部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ)。它是由立方氧化锆(c—ZrO2)和四方氧化锆(t—ZrO2)两相组成。分散在c—ZrO2母体中的t—ZrO2起相变增韧作用。根据稳定剂种类的不同,分别有Mg—PSZ,Ca—PSZ,Y—PSZ等。

Mg—PSZ陶瓷具有优良的力学性能,生产成本低,应用最广泛。
 

(2)四方氧化锆多晶陶瓷(TZP)。其特色是:TZP材料中所有ZrO2晶粒都以t—ZrO2形式存在。Y—TZP是最重要的一种氧化锆增韧陶瓷,有很高的室温断裂韧性(KIc)和抗弯强度(σf),但随使用温度升高,其KIcσf都显著降低。Ce—TZP是另一种重要的TZP材料,其力学性能比Y—TZP稍低,但制备工艺较易控制,成本也较低。此外,TZP是最典型的超塑性陶瓷(这是指在一定应变速率和温度范围内显示出异常拉伸能力的一类陶瓷材料,其拉伸变形量可达百分之几百)。
 

(3)以TZP为母体的增韧氧化锆陶瓷。如:Y—TZP中加入α—Al2O3弥散晶粒或晶须,SiC弥散晶粒或晶须,可以通过第二相的裂纹弯曲增韧来进一步提高Y—TZP的KIc。和σf,尤其重要的是可显著提高Y—TZP的高温强度和断裂韧性。
 

氧化铝陶瓷   通常指其α—Al2O3。含量在70%以上的陶瓷。含α—Al2O3量高的氧化铝陶瓷有时以其主晶相的矿物名称命名,称为刚玉。氧化铝陶瓷和其他机械强度更高或耐热性更好的MgO、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷相比,它更易烧结,同时原料丰富、价格低,已有较成熟的工艺。其独特优点是耐磨性、耐腐蚀、绝缘性,透光性等,主要不足是脆性。在Al2O3中加入少量ZrO2,可制得氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA),具有较好的高温强度和韧性。通过纤维或晶须(如SiC)补强Al2O3,制成的复合陶瓷也有较好的高温力学性能。
 

莫来石陶瓷   是主晶相为莫来石(化学计量3Al2O3•2SiO2)的陶瓷。具有优良的抗热震性、高温抗蠕变性,其高温性能优于氧化铝陶瓷;与Si3N4、SiC等非氧化物陶瓷相比,又有制备工艺简单、成本低等优点。但其室温强度特别是韧性值较低。在莫来石中加入少量ZrO2可以制得氧化锆增韧莫来石陶瓷(ZTM),在莫来石中引入SiC晶须或纤维达到补强增韧也是有效的。

非氧化物结构陶瓷   包括氮化硅陶瓷、赛隆陶瓷、碳化硅陶瓷和氮化硼陶瓷。
 

氮化硅陶瓷   有低温型α—Si3N4和高温型β—Si3N4两种晶型。具有高温强度高、抗热震性能好、高温蠕变小、耐磨、耐腐蚀和低密度等优良性能,是最有希望用于热机的新型结构陶瓷材料。对其韧化和强化的方法有:SiC纤维或SiC晶须补强;加入少量ZrO2制取氧化锆增韧氮化硅陶瓷(ZTSN)以及用SiC、TiC等粒子达到弥散增韧;氮化硅陶瓷的自补强;制备氮化硅为基的多相复合陶瓷等。
 

赛隆陶瓷   赛隆(SiaIon)由Si、Al、O、N四种元素的字母组成,是Si3N4固溶体的统称,可分为β—SiaIon、α—SialIon、o—Sialon、复相Sialon和SiaIon多型体等类型。前三种分别简写为β’、α’、o’。
 

β’是β—Si3N4固溶体,分子式Si6-ZAlZOZN8-Z(Z=0~4.2),因含一定量Al2O3,故有卓越的抗氧化性。
 

α’是αSi3N4固溶体,分子式MXSi12-(m+n)Alm+n—OnN16-n,M为填隙的金属离子。特点是硬度高、抗热震性较好,良好的抗氧化性和高温性能,强度比β’低。
 

o’是Si2N2O与Al2O固溶而成,分子式为Si2-XAlXO1+XN2-X,特点是抗氧化性比α’、β’为好。
 

对复相Sialon陶瓷研究较多的有:β’+α’,β’+o’,α’+β’材料。
 

当Sialon组成位于β’和AlN之间,有6种不同的相(15R,12H,21R,27R,2H,8H),称为SiaIon多型体(或AIN多型体)。这些多型体往往呈长柱状晶粒,有利于提高材料的KICσf
 

碳化硅陶瓷   仅常温性能优良,更重要的是其高温力学性能(高温强度、抗蠕变等)是目前陶瓷材料中最优秀的,又是非氧化材料中最稳定的,抗氧化性较好,耐各种酸、碱的腐蚀。     
 

氮化硼陶瓷   又称白色石墨,耐高温,化学稳定性极好,热导率高,有润滑性。立方氮化硼(c-BN)的硬度仅略低于金刚石。
 

结构陶瓷已广泛应用于机械、冶金、纺织、国防、航天、汽车、生物工程、体育器材和日常生活用品等领域,如:(1)高硬度、高耐磨和耐高温的切削刀具、研磨材料、密封件、辊子、轴承、轴瓦、泵套筒、阀门、内衬、模具、喷砂器等,可选用材料为Al2O3、ZrO2、B4C、c-BN、SiC、Ti(C、N),Si3N4,Sialon等及其复合陶瓷。(2)耐腐蚀和要在高温下承受很高力学负载的汽车、拖拉机、飞机、宇宙火箭的发动机用燃烧器部件、涡轮增压器、涡轮叶片、燃气轮机叶片、火箭喷嘴等,可选用材料为Si3N4、ZrO2、莫来石、SiC等及其复合陶瓷。(3)高弹性、耐磨的高尔夫球击棒、跑鞋钉、鱼钩、弹簧、铱壳等用品,可选用ZrO2、Al2O3等材料。

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