现代陶瓷之结构陶瓷

《现代陶瓷之结构陶瓷》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代陶瓷之结构陶瓷（112页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、结构陶瓷定义与分类 定义：所谓 结构陶瓷 ，是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。 它具有 高强度 、 高硬度 、 高弹性模量 、 耐高温、耐磨损、耐腐 蚀、抗氧化、抗热震 等特性。 分类：因结构陶瓷往往在高温下作为结构材料使用，因而常称 之为 高温结构陶瓷 或 工程陶瓷 。高温结构陶瓷大致可分为两大 类，一类是在大热流和 1500 高温下作 短时间 (几秒到几十分钟 ) 使用，另一类是在中等热流和 1200 以上的高温下 长时间 (几百 到数千小时 )使用。前者用于如洲际导弹的端头，回收人造卫星 的前缘，火箭尾喷管喉衬和航天飞机外蒙皮等；后者主要用于 能源工程，作为各种新型热机 (燃气轮机、绝热

2、柴油机 )中的耐 热、耐磨部件：如燃烧室、活塞顶、蜗轮转子、汽缸套等以及 广泛用于汽车、机械、石油化工、纺织等工业领域的耐热、耐 磨损、耐腐蚀部件，如各种泵用的密封材料、轴承及轴套等。 按组分分类，结构陶瓷又可分为： (1)氧化物陶瓷，如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧 化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化铍陶瓷、锆英石陶瓷等； (2)氮化物陶瓷、如氮化硅陶瓷、赛龙 (Sialon)、氮化铝陶瓷、 氮化硼陶瓷等； (3)碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷以及 碳化铀陶瓷 (4)硼化物陶瓷，如硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。 由此可见，组成结构陶瓷的元素，如硅、硼、碳、氧、氮、 铝均为地壳中

3、含量最多的，这也是结构陶瓷用作发动机部件， 取代镍、钴、铬等战略金属、显示其生命力的地方。 氧化物陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷 氧化镁陶瓷 氧化铍陶瓷 其它氧化物陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是一种以 氧化铝为主晶相的陶瓷材料， 氧化铝含量一般在 7599.9%之间，通常习惯以氧化铝的 含量来分类。氧化铝的含量在 75%左右称为“ 75瓷”， 含量在 85%左右称作“ 85瓷”，含量在 99%左右称作 “ 99瓷”。含量在 99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。 氧化铝有 （刚玉型）、 、 、 等 11种变体，其中主 要是 、 两种晶型，而且只有一种热力学稳定相，即 氧化铝。而 氧化铝是含碱的铝酸盐

4、 (R2O11Al2O3或 RO6Al2O3)。它们的结构各不相同。 氧化铝结构图 蓝宝石 蓝色的蓝宝石，是由于其中混有少量钛（ Ti） 和铁（ Fe）杂质所致； 红宝石 红色来自铬 (Cr) -Al2O3属立方晶系 , 尖晶石型结构， 氧离子形成立方密堆 积， Al3+填充在间隙中。 -Al2O3的密度小，且高温下不稳定， 加热到 1100 1200 时，缓慢转变成 -Al2O3，到 1450 时这 一过程才完成。伴随着放热 32.8KJ/mol，体积收缩 14.3%。 由于 -Al2O3是松散结构，机电性能差，可以用它来做多孔 材料。自然界没有发现 -Al2O3，它一般是由含水的 Al2O

5、3矿物 （ Al2O3H 2O或 Al2O33H2O）经加热而成。 氧化铝粉体的制备 拜耳法 工业氧化铝 粉体的生产一般采用拜耳法。是由 K J Bayer(拜耳 )所发明。它是将含铝量高的天然矿物，如铝矾土用 酸法或碱法处理而得。 碱法处理 是近代炼铝工业中制造氧化铝 的主要方法。酸法生产很少使用，但能提取贫矿中的氧化铝， 因而是有发展前途的一种方法。 高纯度 氧化铝粉体制备： 是将高纯度铝盐和金属铝分别热 解、氧化而制得的，主要有以下四种方法： 1.铵明矾热解法 2.有机铝盐加水分解法 3.铝的水中放电分解法 4. 铝的铵碳酸盐热分解法 高纯度氧化铝粉体制备 Al2O3制品的强度、耐热性和

6、电绝缘性等许多性能随杂 质含量的增加而劣化，因此在制品要求高强度和优良 透光性能时，必须采用高纯度的 Al2O3 粉末原料， 一 般采用如下方法制取： 1.铵明矾热解法 2.有机铝盐加水分解法 3.铝的水中放电分解法 4. 铝的铵碳酸盐热分解法 Al2(NH4)2(SO4)424H2O Al2(NH4)2(SO4)4H 2O +23H2O Al2(NH4)2(SO4)4H 2O A12(SO4)3 SO3 2NH3+2H2O A12(SO4)3 Al2O3 3 SO3 -Al2O3 -Al2O3 200 600500 9 0 08 0 0 h02511300 。 例： 硫酸铝铵 Al2(NH4

7、)2(SO4)424H2O在空气中 热分解制备 Al2O3粉体： Al2O3陶瓷的制备 预烧与晶型转变 Al2O3生产中预烧具有以下作用：使 - Al2O3转变为 稳定的 - Al2O3。这样制品在烧成时的线收缩可以从 22%降低为 14%，或者体积收缩从 53%降低为 37%。 煅烧后的 Al2O3可能形成极细小的 - Al2O3单晶颗粒。 球状 Al2O3的脆性提高，易于研磨。 预烧还可以排除原料中的杂质 Na2O，提高原料的纯度， 从而提高产品的性能。 磨细与配料 氧化铝陶瓷的成型 氧化铝陶瓷成型的方法有许多种，依产品的 形状、大小、复杂性与精度等要求选用合适 的成型方式。最常用的方法有

8、 干压法成型 、 注浆成型 、 挤压成型 、 冷等静压法成型 （ CIP),注射成型 、 流延成型 、 热压成型 与 热 等静压成型 (HIP)以及近几年来新开发的 压滤 成型 、 凝胶注成型 、 固体自由成型制造技术 等。 烧 结 常见的几种烧结工艺均可以 用 来制备 氧化铝 陶 瓷材料，不 同的方法所得材料具有不同的优点。 采用烧结助剂无疑是一 种比较好的烧结方法。 影响氧化铝陶瓷烧结的因素 影响氧化铝陶瓷烧结的因素主要是烧成工艺 制度和氧化铝粉体的性状 烧成制度： 透明氧化铝陶瓷 透明氧化铝陶瓷的制备 氧化铝陶瓷的性能和应用 氧化铝陶瓷的用途是十分广泛的，根据氧化铝含量不 同，其性能不同

9、，用途也各有差异。 机械强度高 ：氧化铝烧结后的抗弯强度可达 250MPa, 热压产品可达 500MPa。氧化铝的成分愈纯，强度愈高。 强度在高温下可维持到 900 。利用氧化铝陶瓷的这 一性质可以制成 装置瓷 和其他机械构件。 氧化铝装置瓷 电阻率高，电绝缘性好 ：氧化铝的常温 电阻率约为 1015 cm，绝缘强度 15Kv/mm，利用其绝缘性和强度可制成 各种基板、管座、火花塞和电路外壳等 氧化铝火花塞 硬度高 ： 莫氏硬度为 9，加上优良的抗磨损性，所以 广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、 轴承等。用 A12O3陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件 时，可以以高的切削速度获得高

10、的精度。 熔点高，抗腐蚀： 氧化铝的熔点为 2050 ，能较好地抵抗一些熔融金属的 侵蚀，可用作耐火材料、炉管，热电偶 保护套等。 化学稳定性好： 许多复合的硫化物、磷化物、 砷化物、氯化物、溴化物、碘化物、氧化物 以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与 A12O3作 用。因此 A12O3可以制备人体关节、人工骨等 生物陶瓷材料。 光学特性 氧化铝陶瓷可以制成用于高压纳灯的透明陶瓷灯管。 钠 蒸气放电可获得一种高效率的光源。但是钠蒸气放电会 产生超过 1000 的高温，而且钠是一种非常活泼的金属， 有很强的腐蚀性，用玻璃制成的灯管无法耐受，而一时 又找不到能在高温下抵抗钠蒸气腐蚀的合适灯管材料。 透

11、明氧化铝陶瓷的熔点高达 2050 ，能在 1600 的环境 里不受钠蒸气的腐蚀，而且可以通过 95的光线。有了 它，高压钠灯才在 1960年呱呱坠地，并经过不断改进， 得到了实际应用。 除了高压钠灯外，透明陶瓷还适用于制造其他新型 的灯具，如钾灯、铷灯、铯灯、金属卤化物灯等 高熔点 高硬度 可制成透明陶瓷 无毒、不溶于水，强度高 主要特性 主要用途 坩埚 刚玉球磨机 高压钠灯的灯管 水龙头阀门芯 将氧化铝陶瓷主要特性和主要用途一对应并连线 氧化铝陶瓷的不足 氧化铝陶瓷材料的脆性极大地限制了它 的推广应用 !为了减小脆性，除了采用先 进的制备工艺外，人们研究了许多增韧 的手段。 ZrO2相变增韧

12、、纳米技术增韧、晶须和 纤维增韧、颗粒弥散增韧、复合增韧、 表面改性增韧等。 氧化锆陶瓷 氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一 种很重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能 (如 它的断裂韧性高于氧化铝陶瓷 )，因而越来越受到人 们的重视。 纯净的 ZrO2为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。 氧化锆有三种晶相，分别为单斜晶相、四方晶相和立 方晶相，三者之间的转变关系如下 单斜 ZrO2转变为四方 ZrO2会产生 7 8%的体积收缩，而 逆向转变则会有相应的体积膨胀，实际生产过程中一 般采用添加稳定剂（ CaO、 MgO、 Y2O3、 CeO2）的方法 来制备氧化锆陶瓷材料。 ZrO

13、2粉体的制备 ZrO2粉体的稳定化处理 氧化锆陶瓷的制备 ZrO2陶瓷成型可采用注浆法或干压法成型。注浆成型 时，可向 ZrO2细粉中加入少量的阿拉伯树胶和 20左 右蒸馏水，具有良好的注浆性能浆料用热压法可制得 透明 ZrO2陶瓷。粉料中粗颗粒多，则体积收缩小，细 颗粒多则产品致密度高，烧成温度为 1650-1800 ， 保温 24小时。 制备稳定 ZrO2时，可采用电熔合成法 (约 1000) 及高 温合成法 (16001650 保温 4小时 )。电熔合成的 ZrO2 反应完全，部分或全部为等轴固溶体。高温合成的 ZrO2 中还有一定量的单斜 ZrO2。 ZrO2陶瓷增韧机制 氧化锆增韧机

14、制有多种 : 相变增韧 微裂纹增韧 弥散增韧 相变增韧 微裂纹增韧 弥散增韧 氧化锆陶瓷性质与应用 Y稳定的 TZP陶瓷由于具有良好的性能，因此在很多领域 都有广泛的应用。 磨介： Y TZP相对于锆珠、氧化铝球、玻璃球和钢球而言，其 耐磨性最好，目前正逐步取代其他磨介，在涂料等行业中广泛 应用。用量最大的就是磨球，国内主要有 深圳南玻 等厂商在生 产。工艺路线为干压和等静压成形工艺，以等静压工艺为主。 磨介市场非常广阔，虽然普通的磨球市场已经饱合，但是各种 研磨罐、搅拌磨中的磨盘和磨头等由于制备工艺相对复杂，仍 主要以国外产品为主 。 切割应用 ： 在特定的切割应用中， Y TZP占据了一定

15、的市场 份额，特别是对一些韧性和强度要求不是很高的场合， Y TZP 刀具得到了极大的发展。例如光纤剪刀、切纸刀、民用刀具和 理发推剪等。其中发展比较成功的是 京瓷 的民用刀具，经过近 十年的发展已经成为一个国际品牌。 阀类应用：这类应用市场范围广泛。最典型的产品是 氧化锆水阀片 。氧化锆主要用于制作油田和化工行业 中用的 球阀 等。国内有深圳南玻等厂商在生产。工艺 路线主要采用等静压工艺。这类产品加工和成品率非 常重要，部件大，成品率对成本影响很大。 陶瓷轴承： 在陶瓷轴承方面，氧化锆陶瓷相对于氮化 硅陶瓷并不是最好，其主要优势是成本较低。可用于 抗腐蚀、避免污染的场合，如食品工业等。另外一

16、个 领域就是新开发的 陶瓷风扇 ，这大大拓展了氧化锆陶 瓷轴承的应用空间。富士通公司首先推出了陶瓷轴承 风扇，获得了较好的市场响应。 轴芯全面采用 3nm氧化锆 生物应用： 研究表明 , 氧化锆在人体口腔中无过敏现 象 , 在合理设计的前提下 , 可保证使用 50年 依然坚固 . 氧化锆可以用于几乎所有的义齿设计中 , 它使牙桥制 做的长度不再有限制 - 无论是螺栓固定式或粘接式。 它 也是用于种植牙技术的最好材料。实际上 , 氧化锆 全瓷牙已不再是单纯的义意上的义齿 , 它更适用于人 们对美的越来越高的追求 ! 氧化锆 : 坚如钢 ,白如雪 ! 个人用品： 氧化锆陶瓷耐磨性好，硬度高，可以

17、抛光 且外观美观，因此 可作为手表带、表壳及其他装饰 部件。陶瓷表源于瑞士雷达表，后来国内有优尼克、 潮州三环和北京建材院下属公司等一些企业开始生产。 目前主要生产表带，以黑和白为主，蓝、金和红等其 他颜色也已开发出来，制备工艺以热压铸和干压为主。 光纤连接器用陶瓷： 光纤连接器与光纤跳接线是光纤 网路中应用面最广且需求量最大的光无源器件。但是 目前国际上只有美日等发达国家有技术生产氧化锆插 芯和套筒，其毛坯生产技术在国内还是空白。陶瓷插 芯毛坯由于内含一个 0.1mm的小孔，且对尺寸同心度 的要求都很高，因此采用传统的陶瓷材料成型方法难 以制备，只有通过注射成型的方法才有可能。 日本精工二氧

18、化锆陶瓷插芯 套 筒 氧化铍陶瓷 氧化铍陶瓷是以 氧化铍 为主要成分的 陶瓷 。纯氧化铍 (BeO)属 立方晶系 。密度 3.03g/cm3。熔点 2570 。具 有很高的 导热性 ，几乎与纯铝相等，还有很好的抗热 震性。其 介电常数 6 7。最大缺点是 粉末 有 剧毒 性， 且使接触伤口难于愈合。 氧化铍陶瓷制备 由于杂质对氧化铍陶瓷性能具有很大影响，因此需要制取高纯 的氧化铍粉体。制备时以国产工业级氧化铍粉体为主原料，经 物理除杂后，用酸溶解配制成铍盐水溶液。采用多次连续化学 除杂工序去除溶液中所含 W、 Nb、 Fe、 Pb等 20多种杂质元素， 再经沉淀及煅烧制得平均粒径为 20nm、

19、氧化铍纯度达 99.18%以 上的无强团聚的近球形粒子氧化铍粉体。 氧化铍陶瓷的制备一般分为冷压烧结和热压烧结。添加质量分 数为 1%以下的 MgO、 TiO2、 Fe2O3可以促进氧化铍的烧结。冷压 在 100MPa下进行，压坯在 1800 下烧结 10min，密度可达 2.65g/cm3。热压压力 1.4MPa，温度 1800 ，时间 10min，密度达 2.96g/cm3。 氧化铍陶瓷应用 氧化铍陶瓷 (BeO)因其具有 高热导率 、 高熔点 (2530 10 )、高 强度、高绝缘性、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质 损耗以及良好的工艺适应性等特点 ,在特种冶金、真空电子技术、 核

20、技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。尤其是在大 功率半导体器件、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中， BeO一直是制备 高导热 元部件的主流陶瓷材料。 核技术材料： BeO具有高的中子散射截面 ,可以将核反应堆中泄 露出来的中子反射回反应堆内 ,因而已经被广泛用作原子反应堆 中的中子减速剂 (反射器 )和防辐射材料此外， BeO优异的热、红 外光学性能及热激发射特性 ,使其适合用于热荧光、外电子发射 和电子顺磁共振剂量计中的探头。 真空和电子材料：高的热导率和低的介电常数是 BeO材料在真空 和电子技术领域得到广泛应用重要原因。 BeO陶瓷目前已用于高 性能、高功率 微波封装 ， Be

21、O基片也已用于高电路密度的多片组 件。采用 BeO材料可以将系统中产生的热量及时地散去 ,保证系 统的稳定性和可靠性。 BeO陶瓷还广泛用于宽带大功率的电真空器件中 ,如行波管的输 能窗、夹持杆和降压收集极。低的介电常数和损耗有利于获得 很好的宽频匹配特性 ,同时也可减少功率损失。高的导热率可以 将大功率器件中产生的热量及时地传导出去 ,从而能够保证器件 的稳定性和可靠性。 与 Al2O3窗相比 ,BeO陶瓷可以承受大得多的 连续波输出功率。例如 :BeO窗承受 263 kW的输出功率没有损坏 , 而 Al2O3窗在 100 kW的输出功率下即发生破裂。 氮化物陶瓷 氮化物一般是以 MxNy表

22、示氮化合物。根据氮化物的 物理性质和键的特点，氮化物可分为非金属氮化物和 金属氮化物。氮化硼和氮化硅属非金属氮化物。金属 氮化物中又可分成过镀金属氮化物和非过渡金属氮化 物。过镀金属氮化物有氮化钛、氮化钼和氮化钨等。 氮化铝属非过渡金属氮化物。本节主要介绍氮化硅、 赛龙、氮化铝、氮化硼等氮化物陶瓷。 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是一种先进的工程陶瓷材料。该陶瓷于 19 世纪 80年代发现， 20世纪五十年代获得较大规模发展。 中国是在七十年代初开始研究，到八十年代中期已取 得一定成绩。该材料具有高的室温和高温强度、高硬 度、耐磨蚀件、抗氧化性和良好的抗热冲击及机械冲 击性能，被材料科学界认为是结构陶

23、瓷领域中综合性 能优良、最有希望替代镍基合金在高科技、高温领域 中获得广泛应用的一种新材料。因此近二、三十年来 颇受青睐和重视。 Si3N4的晶体结构 氮化硅是共价键化合物。它有两种晶型：针状的 氮 化硅和颗粒状的 氮化硅。它们均属于六方晶系。氮 化硅的晶体结 构为 Si原于和周围的 4个 N原子形成共价键，构成 SiN4 四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成四维空间 网络。正是由于 SiN4四面体结构单元的存在，氮化 硅具有较高的硬度。 氮化硅陶瓷制备 粉体制备： 氮化硅粉体都是人工合成的。大量研究 表明，高质量粉体是得到高性能陶瓷重要保证。作为 制备高性能氮化硅材料所需的粉体必须具备 :

24、窄的颗 粒尺寸分布，低的金属杂质含量 (Fe, Ti等 )和氧含量， 价格低廉适中。 硅粉直接氮化 ：是制备氮化硅粉体最早发展的工艺， 也是国内目前应用最广泛的一种方法。该法相对比较 简单，价格便宜，使用的原料是多晶硅或单晶硅。但 此法生产限于间歇式，得到氮化硅粉是块状的，必须 通过球磨才能得到细粉。 常见氮化硅粉体制备工艺 不同烧结工艺制备氮化硅陶瓷 氮化硅是共价键很强的化合物，离子扩散系数很低， 因此很难烧结。氮化硅陶瓷的烧结方法主要有：反应 烧结法、热压烧结法、无压烧结法、气压烧结法、反 应结合重烧结法和热等静压烧结法等。 反应烧结氮化硅： 边反应边烧结，因此控制生坯密度 和氮化工艺是获

25、得性能优良制品的关键。烧结前后坯 体尺寸变化很少 (线收缩约为 1%左右 )。烧结过程中不 发生一般烧结过程中的收缩现象。此法可用来制造复 杂形状制品。但是制品内包含了 15-30%的气孔，因此 材料力学性能比其他致密烧结工艺的低。 热压烧结氮化硅： 反应烧结氮化硅的密度只能达到 2. 2- 2.7g/cm3。使得制品的强度较低。在要求密度和强度较高的情况 下，则需要采用热压烧结制备工艺。热压烧结的温度一般在 1650-1820 之间，压力为 15-30MPa，保温保压 60-240min。具 体工艺参数依据选择的烧结助剂体系。整个烧结过程都在 N2保 护气氛下进行。加热方法可以采用感应加热或

26、石墨电极发热。 为了避免石墨模具与样品在高温下发生反应，样品在烧结后易 于脱模，往往采用固体高温润滑剂 (例如 BN)涂于模壁四周与样 品接触的部位。热压工艺的特点是样品致密，基本上达到理论 密度，但受工艺条件限制，仅能制备形状简单样品，难于批量 化生产，制品价格昂贵。 无压 (常压 )烧结氮化硅 ： 无压烧结法以含添加剂的氮 化硅粉末压块 (或反应烧结氮化硅坯体 )在粉末床中进 行高温烧结 (N2气氛 )而致密化。该工艺是一种制备复 杂形状、适宜批量生产氮化硅制品的方法。由于烧结 时没有外加驱动力，是靠粉体表面张力作为烧结动力， 因此必须采用高比表面的粉体和添加较多的烧结助剂。 由于近十多年

27、内工艺改进和完善，无压绕结氮化硅材 料性能有了很大提高，特别是在室温强度方面，有可 能接近热压氮化硅水平。 气压烧结 (gas pressure sintering)氮化硅 气压烧结法是针对无压烧结工艺的不足之处而发展起 来的一种制备高性能氮化硅材料的工艺。特点是在高 温下烧结时，通过气体 N2加压，抑制氮化硅分解，从 而可以在更高温度下进行烧结。 虽然较高的 N2压力可以抑制氮化硅分解，有利于 提高制品的均匀性和可靠性，但烧结设备属高压容器， 价格比较贵。 氮化硅陶瓷应用 由于氮化硅陶瓷的优异性能，它已在许多工业领域获得广泛的应用， 并右许多潜在的用途。 氮化硅基陶瓷刀具： Si3N4陶瓷作

28、为刀具材料，具有以下优良性能 : (1)高硬度。 Si3N4陶瓷刀片的室温硬度值达到莫氏硬度 9级，大大提高了 切削能力和耐磨性。 (2)高强度。 Si3N4陶瓷刀片的抗弯强度目前可达 900 1000MPa，其抗压 强度也与普通硬质合金相当。 (3)高耐热性和抗氧化性 。 Si3N4陶瓷刀具的高温性能特别好，在 1000 强度几乎不下降，即使在 1200 1450 切削高温下仍保持一定的硬度、 强度进行长时间切削。 (4)高抗热震性。抗热震性是指材料在承受急剧温度变化时，评价其抗破 损能力的重要指标。 Si3N4陶瓷刀具具有较高的抗弯强度、较高的导热 率，低的热膨胀系数，中等的弹性模量，所以

29、其抗热震性好、因而在高 强度断续零件的毛坯加工方面，显示出独特的优越性能。 氮化硅陶瓷轴承： 用氮化硅材料制成的陶瓷轴承球， 具有密度低、耐高温、耐腐蚀、绝缘、绝磁及自润滑 性能好等优点，特别适合于制造陶瓷球混合轴承的滚 动体，广泛应用于高速电主轴、精密机床、化工泵、 电子产品、电加工设备及冶金等领域。 氮化硅陶瓷球轴承有两种形式。一种是滚珠 (球 )为陶 瓷材料，内外圈仍为轴承钢制造，称为混合式球轴承 ; 另一种是滚珠和内外圈都为陶瓷材料，称为全陶瓷球 轴承。通常用于制造陶瓷球轴承的陶瓷材料为热压氮 化硅 (Si3N4)。 混合式球轴承 全陶瓷球轴承 氮化硅陶瓷发动机 陶瓷发动机的开发研制是

30、高温结构陶瓷研究的主要目 标及最重要的应用。发动机的零、部件一般是在高温、 高速运转等苛刻的工况条件下运作，普通的金属材料 或高分子材料难以满足要求，即使高温合金使用温度 也不能超过 1050 ，而且效率较低。而 Si3N4陶瓷发动 机则具有以下优越性能： 发动机的工作温度可提高到 1200 1650 ，并且无 需水冷系统，可使发动机效率 提高 30%左右，而传统 的发动机材料一般为镍基等耐热合金，其工作温度在 1000 左右，且需循环水冷却系统。 工作温度高，可使燃料充分燃烧，所排废气中的有 害成分大为降低，从而降低了能耗，减少了环境污染。 Si3N4陶瓷的热传导率比金属低，使发动机的热量不

31、易散发， 节省能源。 Si3N4陶瓷良好的高温强度可改善发动机性能、延长发动机的 使用寿命。 美国早在 1982年就由 CUMMINS公司研制出试验性无冷却柴油发 动机，现已研制出汽车、卡车、轮船用陶瓷发动机。日本政府 也在 1984年制成全陶瓷发动机，其热效率达 48%，节约燃料 50% , 输出功率提高 30% ,而重量减轻了 30% 。 1991年，中国的陶瓷发动机汽车从上海到北京试开了一个来回， 试用情况表明，这种发动机不必水冷却并能大量节约汽油。 其他领域的应用 氮化硅陶瓷具有极其优良的耐化学腐蚀性能，是制造 各种易腐蚀部件的好材料。它能耐几乎所有的无机酸 (氢氟酸除外 )和 30%

32、以下的烧碱溶液，也能耐很多有 机物质的侵蚀。所以可用作制造增锅、球阀、高温密 封阀、各类水泵的密封件等。 氮化硅陶瓷还是一种很好的电绝缘材料，它的电绝缘 性能可以和氧化铝陶瓷相比。它还有透微波的性能， 可以用作雷达天线罩。它的介电性能随温度的变化甚 小，在高温下至少可用到 550 。它的抗热震性能在 各类陶瓷中是比较优越的，这使它可以在六个马赫 (即六倍于音速 )，甚至于可在七个马赫的飞行速度下 使用，是制造火箭喷嘴和透平叶片的合适材料。 氮化硅陶瓷的缺陷 Si3N4结构陶瓷材料具有许多优异的性能，但其致命 的弱点就是其 脆性 。它不象金属那样具有塑性变形的 能力、具有可滑移的位错系统，当外加

33、能量超过一定 的限度时，它只有以形成新的表面来消耗外加能量， 即在陶瓷体内形成新的裂纹表面导致灾难性破坏。因 此，改善和提高陶瓷材料的 韧性 成为研究者共同关注 的课题。目前， Si3N4结构陶瓷的增韧途径主要有颗粒 增韧、晶须或纤维增韧、 ZrO2相变增韧及柱状 Si3N4晶 粒的自增韧等四种途径。此外 Si3N4陶瓷的制作成本相 对较高，使其难以迅速推广使用，应积极研究 Si3N4陶 瓷的低成本制作途径，加速其产业化进程。 赛隆陶瓷 赛隆陶瓷的制备 赛隆陶瓷的性能与用途 氮化铝陶瓷 氮化铝是共价键化合物，属于六方晶 系，呈白色或灰白色。氮化铝在 2450 下分解，在 2000 以内的高温

34、非氧化气 氛 中，稳定性很好，抗热震件也好。 氮化铝的制备 氮化铝的烧结 氮化铝的烧结方法有常压烧结、热压烧结、 反应烧结等。 氮化铝用途 氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷是一种以氮化硼为主的陶瓷。具有优良的电绝缘性、 耐热性、耐腐蚀性、高导热性，能吸收中子，高温润滑性和机 械加工性好，是发展较快、应用较广的一种氮化物陶瓷。 利用 BN的耐热耐蚀性，可以制造高温构件、火箭燃烧室内衬、 宇宙飞船的热屏蔽的耐蚀件等。利用 BN的绝缘性，可以用作各 种加热器的绝缘子、加热管套管和高温、高频、高压绝缘散热 部件。在电子工业中，用作制备砷化稼、磷化稼、磷化铟的坩 埚以及半导体封装散热底板等。在原子反应堆中，用作中

35、子吸 收材料和屏蔽材料。 BN还是十分优异的高温润滑剂和金属成型 脱膜剂，可以作为自润滑轴承的组分。 碳化物陶瓷 碳化物是一种 最耐高温 的材料，以通式 MxCy来表示，它的种类 很多，但大致可划分为金属碳化物和类金属碳化物。 碳化物高温结构陶瓷通常是指： SiC, B4C,TiC, WC, ZrC、 Cr3C2 以及它们的复合材料。碳化物陶瓷的主要特性是具有 高熔点 ， 例如碳化钛的熔点为 3460 ,碳化钨 (WC)为 2720 、碳化锆的熔 点为 3540 。几乎所有的碳化物陶瓷的熔点都很高。 许多碳化物陶瓷均具有 较高的硬度 。例如碳化硼是仅次于金刚 石和立方氮化硼的最硬材料，显微硬度

36、达到 48.5GPa。 碳化物陶瓷还具有良好的 导电性 和 导热性 以及 化学稳定性 。几 乎大多数碳化物陶瓷在常温下不与酸反应，个别金属碳化物陶 瓷即使加热也不与酸起反应，最稳定的碳化物陶瓷甚至不受硝 酸与氢氟酸混合酸的腐蚀。因此，碳化物陶瓷可以作为耐热材 料、超硬材料、耐磨材料、耐腐蚀材料，它们在国民经济的许 多领域中获得应用，是极为重要的陶瓷材料之一。 碳化硅陶瓷 碳化硅 (SiC)俗称金刚砂，又称碳硅石，是一种典型的共价键结 合的化合物，自然界几乎不存在。 1890年 Edword和 G. Acheson在 碳中加硅作为催化剂想合成金刚石时，制备了碳化硅。直到今 天，它还在继续得到研究

37、与发展。 碳化硅 (SiC)的最初应用是由于其 超硬性能 ，可制备成各种磨 削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，而广泛地用于机械加 工行业。第二次世界大战中又发现它还可作为炼钢时的还原剂 以及加热元件，从而促使它快速发展。随着人们研究的深人， 又发现它还有许多优良性能，诸如，它的高温热稳定性、高热 传导性、耐酸碱腐蚀性、低膨胀系数、抗热震性好等。 1974年，美国科学家 S. Prochazka首先成功地采用亚微米级的 SiC和少量 B、 C添加剂为原料，通过无压烧结工艺成功制得了 致密的碳化硅陶瓷 。从此，碳化硅陶瓷开始工业化产。 碳化硅陶瓷的制备 碳化硅粉体的制备方法较多，有最古老的 Ac

38、hesan法， 也有近十几年发展起来的激光法与有机前驱体法。以 下是几种典型的碳化硅合成方法。 (1)Acheson法它是采用碳热还原过程将 SiO2与 C反应生 成 SiC，反应方程式如下 : SiO2 + 3C SiC + 2CO (2)甲烷气相反应法 : Si +3CH4 电弧 SiC + H2 成型 碳化硅陶瓷的成型可用常规成型法，但 对于形状复杂的坯体可采用泥浆洗注法和注 射成型法。 烧结： 碳化硅陶瓷很难烧结，通常采用以下 几种方法：常压烧结法、反应烧结法、热压 烧结法等 。 碳化硅的应用 碳化硅陶瓷在各个工业领域中应用很广，其用途见下 表： 碳化硅电热板 碳化硅磨料 碳化硅轴承球

39、 碳化硼陶瓷 碳化硼陶瓷是一种仅次于金刚石和立方氮化 硼的超硬材料，这是由其特殊的晶体结构所 决定的。 C原子与 B原子半径很小，而且是非 金属元素， B与 C相互很接近，形成强共价键 的结合。这种晶体结构形式决定了碳化硼具 有超硬、高熔点 (2450 )、密度低 (2.55g/cm3) 等一系列的优良物理化学性能。 碳化硼陶瓷的应用 根据碳化硼陶瓷的超硬性、耐磨性、中子吸收性以及 它的半导性质，碳化硼陶瓷大致可以在以下三方面获 得应用。 利用 B4C的超高硬度，用它来制成各种喷砂嘴，用于 船的除锈喷砂机的喷砂头，这比用氧化铝喷砂头的寿 命要提高几十倍。在铝业制品中表面喷砂处理用的喷 头也是用 B4C做的，它的寿命可达一个月以上。一般 来说超硬材料的耐磨性较好， B4C也是一种机械密封 环的好材料，也可用于轴承、车轴、高压喷嘴等。 碳化硼喷砂嘴 B4C由于它的 超硬 以及 密度小 的特点，国外很早就将 它用来作轻型防弹材料，做防弹衣或防弹装甲，近年 来用它与高强尼龙材料复合做成复合装甲也取得进展。 B4C陶瓷防弹片与聚乙烯压板复合制备靶板。能抵御 7.62mm口径弹道枪和 53式穿甲燃烧弹（ 弹速 806m/s） 侵犯。 TiC 陶瓷 TiC粉末制备技术 TiC 陶瓷性能与应用