《先進(jìn)陶瓷材料及進(jìn)展》 第4章 結(jié)構(gòu)陶瓷

1、 l 了解了解結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。 l 了解和掌握了解和掌握陶瓷的增強(qiáng)和增韌。陶瓷的增強(qiáng)和增韌。 l 掌握掌握典型的結(jié)構(gòu)陶瓷。典型的結(jié)構(gòu)陶瓷。 4.0 教學(xué)基本要求 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷利用其利用其強(qiáng)度強(qiáng)度、硬度硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐高溫、耐腐蝕、 耐磨損、耐熱沖擊耐磨損、耐熱沖擊等性能，用作研磨材料、切削等性能，用作研磨材料、切削 工具、機(jī)械密封件、耐磨機(jī)械零件等。工具、機(jī)械密封件、耐磨機(jī)械零件等。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目，各發(fā)達(dá)國(guó)家結(jié)構(gòu)陶瓷引人注目，各發(fā)達(dá)國(guó)家20多年大量投多年大量投 資進(jìn)行研究開發(fā)是因?yàn)橛型麘?yīng)用于熱機(jī)部

2、件。資進(jìn)行研究開發(fā)是因?yàn)橛型麘?yīng)用于熱機(jī)部件。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 另外一個(gè)重要應(yīng)另外一個(gè)重要應(yīng) 用是陶瓷刀具和用是陶瓷刀具和 磨削工具。磨削工具。 l 優(yōu)異的性能和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益刺激著這優(yōu)異的性能和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益刺激著這 一新材料的開發(fā)。一新材料的開發(fā)。 l 燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)是汽車、飛機(jī)、輪船、坦燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)是汽車、飛機(jī)、輪船、坦 克、發(fā)電機(jī)組等的動(dòng)力來源?？恕l(fā)電機(jī)組等的動(dòng)力來源。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 幾十年來通過改進(jìn)高溫合金的耐熱性能和采用幾十年來通過改進(jìn)高溫合金的耐熱性能和采用 新的冷卻技術(shù)，使渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度從新的冷卻技術(shù)，使渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度

3、從500 提高到提高到1100，接近高溫合金極限使用溫度。，接近高溫合金極限使用溫度。 l 如用更耐高溫和高溫強(qiáng)度更高的陶瓷來作內(nèi)燃如用更耐高溫和高溫強(qiáng)度更高的陶瓷來作內(nèi)燃 機(jī)部件，可以將渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度提高到機(jī)部件，可以將渦輪機(jī)的進(jìn)口溫度提高到 1370，動(dòng)力效率可提高到，動(dòng)力效率可提高到46%。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 陶瓷熱機(jī)陶瓷熱機(jī)還有還有其它優(yōu)點(diǎn)其它優(yōu)點(diǎn): l 可以比金屬轉(zhuǎn)子更快加速?？梢员冉饘俎D(zhuǎn)子更快加速。 l 成本較低。成本較低。 l 可以采用低質(zhì)量燃料和合成燃料。可以采用低質(zhì)量燃料和合成燃料。 l 大幅度降低成本，提高可靠性，易于維護(hù)。大幅度降低成本，提高可靠性，易

4、于維護(hù)。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 對(duì)軍用車輛來說，節(jié)油意味增加行程，并減對(duì)軍用車輛來說，節(jié)油意味增加行程，并減 輕后勤的負(fù)擔(dān)，車身減輕提高了機(jī)動(dòng)性，體輕后勤的負(fù)擔(dān)，車身減輕提高了機(jī)動(dòng)性，體 積的減小，減少了車輛的投影面，提高了生積的減小，減少了車輛的投影面，提高了生 存率，冷卻系統(tǒng)的取消使之利于在沙漠和高存率，冷卻系統(tǒng)的取消使之利于在沙漠和高 寒地帶作戰(zhàn)。寒地帶作戰(zhàn)。 l 金屬發(fā)動(dòng)機(jī)和陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能比較見金屬發(fā)動(dòng)機(jī)和陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能比較見 表表4-1。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 燃?xì)廨啓C(jī)類型燃?xì)廨啓C(jī)類型 渦輪最高進(jìn)渦輪最高進(jìn) 口溫度口溫度/ 熱交換器最熱交換器最 高

5、溫度高溫度/ 制動(dòng)效制動(dòng)效 率率/%/% 發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì) 量量/kg/kg 普通高溫合金渦 輪機(jī) 101010107057052626272272 高級(jí)高溫合金渦 輪機(jī) 103810389829823333166166 陶瓷渦輪機(jī)13701370109310934646132132 表表4-1 4-1 金屬和陶瓷汽車燃?xì)廨啓C(jī)性能的比較金屬和陶瓷汽車燃?xì)廨啓C(jī)性能的比較 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 20世紀(jì)世紀(jì)70年代初至年代初至80年代，美、日、德等年代，美、日、德等 國(guó)投入大量人力物力開展了這方面研究。國(guó)投入大量人力物力開展了這方面研究。 l 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)已在美、日、德等國(guó)陶瓷

6、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)已在美、日、德等國(guó) 和我國(guó)制成，并成功地進(jìn)行了公路試驗(yàn)。和我國(guó)制成，并成功地進(jìn)行了公路試驗(yàn)。 l 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)是結(jié)構(gòu)陶瓷最大潛在市場(chǎng)。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)是結(jié)構(gòu)陶瓷最大潛在市場(chǎng)。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 陶瓷刀具陶瓷刀具是結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用的另一廣闊市場(chǎng)。是結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用的另一廣闊市場(chǎng)。 l 陶瓷刀具可以加工這些超硬超強(qiáng)材料，而且陶瓷刀具可以加工這些超硬超強(qiáng)材料，而且 它的耐磨和耐熱性好，其最佳切削速度比硬它的耐磨和耐熱性好，其最佳切削速度比硬 質(zhì)合金刀具高質(zhì)合金刀具高310倍以上，壽命長(zhǎng)，減少了倍以上，壽命長(zhǎng)，減少了 換刀、磨刀次數(shù)，從而大大提高加工效率。換刀、磨刀次數(shù)，從而大大提高加

7、工效率。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷最大弱點(diǎn)最大弱點(diǎn)是是性脆性脆，即很低斷裂功，即很低斷裂功， 斷裂韌性很差，強(qiáng)度也很低。斷裂韌性很差，強(qiáng)度也很低。 l 結(jié)構(gòu)陶瓷研究、開發(fā)的總目標(biāo)就是采用各種結(jié)構(gòu)陶瓷研究、開發(fā)的總目標(biāo)就是采用各種 方法和途徑來提高材料強(qiáng)度和韌性，使之達(dá)方法和途徑來提高材料強(qiáng)度和韌性，使之達(dá) 到金屬的水平。到金屬的水平。 l 陶瓷的增強(qiáng)、增韌是結(jié)構(gòu)陶瓷的中心論題。陶瓷的增強(qiáng)、增韌是結(jié)構(gòu)陶瓷的中心論題。 4.1 概述 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度約為金屬的陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度約為金屬的1 /10，斷裂韌性，斷裂韌性 約為金屬的約為金屬的1 /100。

8、l 陶瓷的脆性和強(qiáng)度的分散性是陶瓷作為結(jié)構(gòu)材陶瓷的脆性和強(qiáng)度的分散性是陶瓷作為結(jié)構(gòu)材 料的致命弱點(diǎn)。料的致命弱點(diǎn)。 l 陶瓷在斷裂過程中，除增加新的斷裂表面外，陶瓷在斷裂過程中，除增加新的斷裂表面外， 幾乎無其它可以吸收能量的機(jī)制。幾乎無其它可以吸收能量的機(jī)制。 4. 陶瓷的增強(qiáng)與增韌 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 提高斷裂韌性有兩個(gè)途徑提高斷裂韌性有兩個(gè)途徑： l 提高強(qiáng)度。增強(qiáng)的途徑首先提高強(qiáng)度。增強(qiáng)的途徑首先 是提高陶瓷的致密度。是提高陶瓷的致密度。 l 增加臨界裂紋的長(zhǎng)度，或提增加臨界裂紋的長(zhǎng)度，或提 高斷裂功。高斷裂功。 4. 陶瓷的增強(qiáng)與增韌 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 陶瓷體是由粉末成型燒結(jié)而成，

9、其內(nèi)部有大量陶瓷體是由粉末成型燒結(jié)而成，其內(nèi)部有大量 氣孔，它的數(shù)量、形狀、分布和大小都會(huì)對(duì)斷氣孔，它的數(shù)量、形狀、分布和大小都會(huì)對(duì)斷 裂強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。氣孔率與陶瓷的強(qiáng)度有裂強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。氣孔率與陶瓷的強(qiáng)度有 以下經(jīng)驗(yàn)公式：以下經(jīng)驗(yàn)公式： 式中，式中，c是氣孔率為是氣孔率為P時(shí)的強(qiáng)度；時(shí)的強(qiáng)度；0是氣孔率是氣孔率 為零時(shí)的強(qiáng)度；為零時(shí)的強(qiáng)度；b是常數(shù)。是常數(shù)。 )exp( 0 bP c 4. 陶瓷的增強(qiáng)與增韌 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強(qiáng)度下降：氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強(qiáng)度下降： l 陶瓷的彈性模量隨氣孔率增大而減小，斷裂陶瓷的彈性模量隨氣孔率增大而減小，斷裂

10、強(qiáng)度與彈性模量的平方根成正比，故氣孔率強(qiáng)度與彈性模量的平方根成正比，故氣孔率 增大或材料密度減小使陶瓷的強(qiáng)度下降。增大或材料密度減小使陶瓷的強(qiáng)度下降。 l 晶界處的氣孔會(huì)引起應(yīng)力集中，在外力作用晶界處的氣孔會(huì)引起應(yīng)力集中，在外力作用 下形成微裂紋，降低強(qiáng)度。下形成微裂紋，降低強(qiáng)度。 4. 陶瓷的增強(qiáng)與增韌 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于 微裂紋的形成與擴(kuò)展，增大陶瓷的脆性。微裂紋的形成與擴(kuò)展，增大陶瓷的脆性。 l 氣孔若呈不規(guī)則狀，則在多相交界處，氣孔氣孔若呈不規(guī)則狀，則在多相交界處，氣孔 本身就相當(dāng)于裂紋。陶瓷高致密時(shí)，強(qiáng)度

11、得本身就相當(dāng)于裂紋。陶瓷高致密時(shí)，強(qiáng)度得 到增加，增強(qiáng)的同時(shí)也增加了斷裂韌性，但到增加，增強(qiáng)的同時(shí)也增加了斷裂韌性，但 單通過提高強(qiáng)度有時(shí)并不能明顯地增韌。單通過提高強(qiáng)度有時(shí)并不能明顯地增韌。 4. 陶瓷的增強(qiáng)與增韌 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 高 速 鋼 硬 金 屬 超 級(jí) 金 屬 ZrO2 Si3N4 SiC Al2O3 纖維復(fù)合材纖維復(fù)合材 料料 微 晶 玻 璃 耐火材 料 炻器 陶器 彎 曲 強(qiáng) 度 / G Pa 0 1 2 3 年代 18501900195019701990 圖圖4-1 4-1 陶瓷強(qiáng)度近年來的進(jìn)展及與金屬的比較陶瓷強(qiáng)度近年來的進(jìn)展及與金屬的比較 4. 陶瓷的增強(qiáng)與增韌 第四章

12、 結(jié)構(gòu)陶瓷 一氧化物陶瓷一氧化物陶瓷 l 氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的先進(jìn)陶瓷。氧化物陶瓷是最早用于結(jié)構(gòu)目的的先進(jìn)陶瓷。 l 氧化鋁是應(yīng)用最廣泛的一種。氧化鋁是應(yīng)用最廣泛的一種。 l 氧化鋯則是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷中強(qiáng)度和斷裂韌性最氧化鋯則是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷中強(qiáng)度和斷裂韌性最 高的一種。高的一種。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 （一）氧化鋁陶瓷（一）氧化鋁陶瓷 l 氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有 - Al2O3和和- Al2O3兩種晶型。兩種晶型。 l 氧化鋁陶瓷最常用的原料是人工合成的氧化鋁陶瓷最常用的原料是人工合成的 - Al2O3粉末。粉末。 4.

13、3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐 堿、強(qiáng)度高、原料豐富。堿、強(qiáng)度高、原料豐富。 l 工業(yè)氧化鋁原料制備方法主要用改進(jìn)的工業(yè)氧化鋁原料制備方法主要用改進(jìn)的Bayer 法煉鋁工藝，法煉鋁工藝， 由于含鈉量較高，在由于含鈉量較高，在0.01%以以 上，在很多的應(yīng)用上受到限制。上，在很多的應(yīng)用上受到限制。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的高純氧化鋁高純氧化鋁制造：制造： l 銨明礬熱分解法。銨明礬熱分解法。 l 有機(jī)鋁鹽加水分解法。有機(jī)鋁鹽加水分解法。 l 鋁在水中放電氧化法

14、。鋁在水中放電氧化法。 l 鋁的銨碳酸鹽熱解法。鋁的銨碳酸鹽熱解法。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 種類種類 AlAl2 2O O3 3質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù) / / % NaNa2 2O O質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù) / %/ % 拜爾氧 化鋁 普通氧化鋁99.399.699.399.6約約0.30.3 酸洗低鈉氧化鋁約99.899.80.020.060.020.06 易燒結(jié)氧化鋁約99.899.80.020.060.020.06 高純度氧化鋁99.9599.9999.9599.99約約0.0020.002 表表4-2 4-2 各種氧化鋁的純度及各種氧化鋁的純度及NaNa2 2O O含量含量 4

15、.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 成型方法成型方法用途用途成型方法成型方法用途用途 澆注成型 絲軌、研缽、拉絲機(jī) 用部件 薄膜成型 集成電路基片、 封裝 擠壓成型 爐芯管、電阻管、蜂 窩體 注射成型 火花塞、絲軌、 噴燒嘴 壓力成型 開關(guān)電阻部件、滑動(dòng) 部件 熱壓成型切削刀具 等靜壓成型 火花塞、透光管、噴 嘴 表表4-3 4-3 各種氧化鋁的成型方法和用途各種氧化鋁的成型方法和用途 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 1 2 3 4 14001200 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 燒結(jié)溫度/ 燒結(jié) 密度 /(g/cm2) 圖圖4-2 4-2 添加劑對(duì)氧化

16、鋁燒結(jié)性能的影響添加劑對(duì)氧化鋁燒結(jié)性能的影響 1不添加不添加(O2中中)；2添加添加TiO21%(O2中中)；3添加添加 MnO21%(O2中中)；4添加添加TiO21%(H2中中) 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 制造透明氧化鋁陶瓷的條件：制造透明氧化鋁陶瓷的條件： l 高純?cè)稀８呒冊(cè)稀?l 在真空或氫氣中燒結(jié)，使氣孔中的在真空或氫氣中燒結(jié)，使氣孔中的 氣體脫去較易而無殘留氣孔。氣體脫去較易而無殘留氣孔。 l 添加晶粒生長(zhǎng)控制劑。添加晶粒生長(zhǎng)控制劑。 l 鋁的銨碳酸鹽熱解法。鋁的銨碳酸鹽熱解法。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 用途用途耐熱耐熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱電絕緣電絕緣強(qiáng)度

17、強(qiáng)度耐磨耐磨耐腐蝕耐腐蝕 火花塞 集成電路 絲軌 刀具 爐芯管 燒杯 表表4-4 4-4 氧化鋁的主要用途及性能要求氧化鋁的主要用途及性能要求 注：非常好；好；注：非常好；好；稍好；稍好；不好。不好。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 ( (二二) ) 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 l 氧化鋯具有熔點(diǎn)高、高溫蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn)氧化鋯具有熔點(diǎn)高、高溫蒸氣壓低、化學(xué)穩(wěn) 定性好、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，這些性能均優(yōu)于定性好、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，這些性能均優(yōu)于 氧化鋁陶瓷但價(jià)格昂貴，以往應(yīng)用不廣。氧化鋁陶瓷但價(jià)格昂貴，以往應(yīng)用不廣。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 近來氧化鋯的增韌性能被廣近來氧化鋯的

18、增韌性能被廣 泛應(yīng)用，開發(fā)出一系列高強(qiáng)泛應(yīng)用，開發(fā)出一系列高強(qiáng) 度、高韌性陶瓷，力學(xué)性能度、高韌性陶瓷，力學(xué)性能 為結(jié)構(gòu)陶瓷之首，并且在功為結(jié)構(gòu)陶瓷之首，并且在功 能陶瓷中成為敏感材料和電能陶瓷中成為敏感材料和電 熱材料，有廣泛應(yīng)用，引起熱材料，有廣泛應(yīng)用，引起 了研究和生產(chǎn)的熱潮。了研究和生產(chǎn)的熱潮。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變 體，在不同溫度下互變：體，在不同溫度下互變： 約約1150 約約950 單斜相單斜相ZrO2 四方相四方相ZrO2 2370 立方相立方相ZrO2 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章

19、 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 單斜相單斜相ZrO2的理論密度為的理論密度為5.56g/cm3， 四四 方相為方相為6.09g/cm3，立方相為，立方相為6.27g/cm3， 因此當(dāng)單斜相因此當(dāng)單斜相ZrO2加熱到加熱到1100左右就會(huì)左右就會(huì) 發(fā)生體積的突然收縮，同時(shí)變?yōu)樗姆较?。發(fā)生體積的突然收縮，同時(shí)變?yōu)樗姆较唷?l 當(dāng)四方相當(dāng)四方相ZrO2冷冷卻到冷冷卻到950左右，就會(huì)左右，就會(huì) 變成單斜相，同時(shí)產(chǎn)生體積的突然膨脹。變成單斜相，同時(shí)產(chǎn)生體積的突然膨脹。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 加入穩(wěn)定劑，可使加入穩(wěn)定劑，可使ZrO2高溫立方相在室溫下高溫

20、立方相在室溫下 仍穩(wěn)定存在。稱為穩(wěn)定仍穩(wěn)定存在。稱為穩(wěn)定ZrO2(SZ)，這就避免，這就避免 了四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)產(chǎn)生的體積膨脹而了四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)產(chǎn)生的體積膨脹而 使制品開裂，從而制得使制品開裂，從而制得ZrO2陶瓷。陶瓷。 l 穩(wěn)定劑要具備與穩(wěn)定劑要具備與ZrO2固溶的條件，即陽(yáng)離子固溶的條件，即陽(yáng)離子 大小與大小與Zr4+相似，穩(wěn)定劑應(yīng)是立方晶系。以相似，穩(wěn)定劑應(yīng)是立方晶系。以 Y2O3最好，最好，MgO最差。最差。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 lMg2+(0.078nm)比比Zr4+ (0.087nm) 小，固溶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。小，固溶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。 l在在1500固溶時(shí)

21、，穩(wěn)定劑的最小用固溶時(shí)，穩(wěn)定劑的最小用 量量(摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù))：MgO13.8%， CaO11.2%，Y2O36%。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l穩(wěn)定劑少于此限，穩(wěn)定劑少于此限，ZrO2不能全部形成不能全部形成 立方晶系，得到不同比例的立方、四方、立方晶系，得到不同比例的立方、四方、 單斜相混合物或純四方相燒結(jié)物。單斜相混合物或純四方相燒結(jié)物。 l這種這種ZrO2陶瓷為部分穩(wěn)定的陶瓷為部分穩(wěn)定的ZrO2 陶陶 瓷瓷(PSZ) 。 二氧化鋯陶瓷原料的制法二氧化鋯陶瓷原料的制法 l 共沉淀法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩(wěn)。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩(wěn) 定劑鹽類的混合水溶液

22、中加入氨等堿類物質(zhì)，定劑鹽類的混合水溶液中加入氨等堿類物質(zhì)， 產(chǎn)生氫氧化物共沉淀，干燥后經(jīng)產(chǎn)生氫氧化物共沉淀，干燥后經(jīng)800左右左右 煅燒，得到與穩(wěn)定劑固溶的煅燒，得到與穩(wěn)定劑固溶的ZrO2粉末。粉末。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 如如 穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑 ClNHOHYOHNHYCl 43233 3)(3 OHOYZrOOHYOHZr 232234 5)(2)( 得到混有穩(wěn)定劑得到混有穩(wěn)定劑Y2O3的的ZrO2粉末。粉末。 ClNHOnHOHZrOHnOHNHZrOCl 4242232 2)() 1(2 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 水解法水解法。長(zhǎng)時(shí)間沸騰或加壓使鋯

23、酸鹽溶液水解，。長(zhǎng)時(shí)間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解， 在溶液中形成水合氧化物，再煅燒得在溶液中形成水合氧化物，再煅燒得ZrO2粉末。粉末。 如鋯鹽為如鋯鹽為ZrOCl8H2O，則反應(yīng)為，則反應(yīng)為 HClOnHOHZrOHnZrOCl2)()3( 2422 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 如用有機(jī)醇鹽，則反應(yīng)方程如下如用有機(jī)醇鹽，則反應(yīng)方程如下 ClNHHOCZrNHOHHCZrCl HC 44733734 4)(44 66 OHHCZrOOHHOCZr HC 7322473 42)( 66 得到結(jié)晶良好的得到結(jié)晶良好的ZrO2粉末。粉末。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l

24、熱分解法熱分解法：包括將含鋯鹽和穩(wěn)定劑的溶液在：包括將含鋯鹽和穩(wěn)定劑的溶液在 高溫噴霧熱解、醇鹽直接熱解和將冷凍干燥高溫噴霧熱解、醇鹽直接熱解和將冷凍干燥 的干燥物熱分解等三種方法。的干燥物熱分解等三種方法。 l 二氧化鋯制品分為穩(wěn)定二氧化鋯燒結(jié)體與部二氧化鋯制品分為穩(wěn)定二氧化鋯燒結(jié)體與部 分穩(wěn)定二氧化鋯分穩(wěn)定二氧化鋯(PSZ)制品兩種。制品兩種。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 120 0 200 200 0 0 160 600 400 300 100 8040 保溫時(shí)間 / h 斷裂能/(J/m3) 斷裂強(qiáng)度/MPa 圖圖4-3 4-3 摻摻CaOCaO的的ZrOZrO2 2(1

25、000)(1000)保溫時(shí)保溫時(shí) 間與斷裂強(qiáng)度、斷裂能的關(guān)系間與斷裂強(qiáng)度、斷裂能的關(guān)系 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 0 15501650 100 80 60 40 20 1250135014501150 圖圖4-4 4-4 Y Y2 2O O3 3-ZrO-ZrO2 2的燒結(jié)的燒結(jié) 溫度與四方相含量的關(guān)系溫度與四方相含量的關(guān)系 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度 / 四方相含量/% 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 PSZPSZ的用途：的用途： l 刀具類刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫(yī)用、工業(yè)：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫(yī)用、工業(yè) 用刀具，它不銹、無磁性、與生物親和。用刀具，它不銹、無磁

26、性、與生物親和。 l 滑動(dòng)部件類滑動(dòng)部件類：利用其耐磨性、與金屬不親和性，：利用其耐磨性、與金屬不親和性， 可作拔絲模、拉管模、絲軌、軸承、噴嘴、泵部可作拔絲模、拉管模、絲軌、軸承、噴嘴、泵部 件、粉碎機(jī)部件等。件、粉碎機(jī)部件等。 5.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 隔熱材料隔熱材料：ZrO2的熱導(dǎo)率低于的熱導(dǎo)率低于Al2O3的的 1/10，ZrO2纖維、氈、板等是最好的高纖維、氈、板等是最好的高 溫隔熱材料，用作高溫爐的保溫隔熱材料溫隔熱材料，用作高溫爐的保溫隔熱材料 可大大減小爐子尺寸，塊材作為內(nèi)燃機(jī)部可大大減小爐子尺寸，塊材作為內(nèi)燃機(jī)部 件也可減小熱損失。件也可減小熱損失。 4

27、.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 穩(wěn)定穩(wěn)定ZrOZrO2 2制品的用途：制品的用途： l 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的ZrO2耐火材料用于用于煉鋼、煉鐵、耐火材料用于用于煉鋼、煉鐵、 玻璃熔融等的高溫設(shè)備中。近來利用其導(dǎo)電玻璃熔融等的高溫設(shè)備中。近來利用其導(dǎo)電 性能又作各種氧敏感元件、燃料電池的固體性能又作各種氧敏感元件、燃料電池的固體 電解質(zhì)、發(fā)熱元件等。電解質(zhì)、發(fā)熱元件等。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 二二 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 （一）氮化物（一）氮化物 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氮化硅氮化硅作為陶瓷材料已日益受到重視。作為陶瓷材料已日益受到重視。 l Si3N

28、4陶瓷的制備工藝陶瓷的制備工藝: Si3N4陶瓷按燒結(jié)陶瓷按燒結(jié) 方法不同分為反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、氣方法不同分為反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、氣 氛加壓燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法等。氛加壓燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法等。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 化學(xué)氣相沉積法是利用氣相反應(yīng)方法使化學(xué)氣相沉積法是利用氣相反應(yīng)方法使Si3N4 沉積在某一基材上，如用沉積在某一基材上，如用SiCl4和和N2反應(yīng)反應(yīng) (在在 H2氣氛保護(hù)下氣氛保護(hù)下)，使，使Si3N4沉積在石墨基體上沉積在石墨基體上 形成一層致密的形成一層致密的Si3N4保護(hù)層。保護(hù)層。 l 反應(yīng)：反應(yīng)： 3SiCl4+2N2+6H2=

29、Si3N4+12HCl。 此法用于制作薄壁管制品，不宜制作厚制品。此法用于制作薄壁管制品，不宜制作厚制品。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氣氛加壓燒結(jié)法氣氛加壓燒結(jié)法是為了防止是為了防止Si3N4的高溫分的高溫分 解而采用加大氮?dú)鈮毫Φ姆椒?。解而采用加大氮?dú)鈮毫Φ姆椒ā?l 通常用幾十個(gè)通常用幾十個(gè)MPa的的N2，在高溫，在高溫 (2000) 下快速燒結(jié)得到相當(dāng)致密的下快速燒結(jié)得到相當(dāng)致密的Si3N4制品。制品。 l 該法要爐子設(shè)備氣密性好，且經(jīng)得起高壓。該法要爐子設(shè)備氣密性好，且經(jīng)得起高壓。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用 l

30、氮化硅有氮化硅有-Si3N4及及-Si3N4兩種晶型，都兩種晶型，都 屬于六方晶系晶體。屬于六方晶系晶體。 l Si3N4陶瓷室溫強(qiáng)度不高，強(qiáng)度強(qiáng)烈地依賴陶瓷室溫強(qiáng)度不高，強(qiáng)度強(qiáng)烈地依賴 于氣孔率。于氣孔率。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 對(duì)氣孔率趨于零的熱壓和無壓燒結(jié)對(duì)氣孔率趨于零的熱壓和無壓燒結(jié)Si3N4， 則常溫強(qiáng)度較高。則常溫強(qiáng)度較高。 l 它們的高溫強(qiáng)度強(qiáng)烈地受晶界相物質(zhì)的影它們的高溫強(qiáng)度強(qiáng)烈地受晶界相物質(zhì)的影 響，與晶界物質(zhì)性質(zhì)（軟化點(diǎn)和熔點(diǎn)等）響，與晶界物質(zhì)性質(zhì)（軟化點(diǎn)和熔點(diǎn)等） 和數(shù)量有關(guān)。和數(shù)量有關(guān)。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l Si3N4具

31、有較高硬度，僅次于金剛石、立方具有較高硬度，僅次于金剛石、立方 氮化硼、碳化硼等。氮化硼、碳化硼等。 l Si3N4耐磨，具有自潤(rùn)滑性，利用這種特性耐磨，具有自潤(rùn)滑性，利用這種特性 可作機(jī)械密封材料，但它仍屬于脆性材料，可作機(jī)械密封材料，但它仍屬于脆性材料， 受瞬時(shí)沖擊易破碎。受瞬時(shí)沖擊易破碎。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l Si3N4的熱膨脹系數(shù)僅為的熱膨脹系數(shù)僅為2.5310-6/， 比比MgO、Al2O3低很多。其熱導(dǎo)率是較高的，低很多。其熱導(dǎo)率是較高的， 可達(dá)可達(dá)18.4W/(mK)。 l Si3N4材料低的熱膨脹系數(shù)、高的熱導(dǎo)率材料低的熱膨脹系數(shù)、高的熱導(dǎo)率 及機(jī)械強(qiáng)

32、度使其具有優(yōu)良的抗熱震性。及機(jī)械強(qiáng)度使其具有優(yōu)良的抗熱震性。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l Si3N4的抗氧化溫度可達(dá)的抗氧化溫度可達(dá)13001400，具，具 有高溫抗氧化性。有高溫抗氧化性。 l 這種材料幾乎不受各類無機(jī)酸的腐蝕，常溫這種材料幾乎不受各類無機(jī)酸的腐蝕，常溫 下不受強(qiáng)堿作用，但易被熔融堿液侵蝕。下不受強(qiáng)堿作用，但易被熔融堿液侵蝕。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l Si3N4的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不受大部分熔融金屬侵的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不受大部分熔融金屬侵 蝕，不反應(yīng)，不潤(rùn)濕，如用蝕，不反應(yīng)，不潤(rùn)濕，如用Si3N4作容器，用作容器，用 熔融鋁浸泡熔融鋁浸泡280d

33、也不反應(yīng)。也不反應(yīng)。 l Si3N4制品在燒結(jié)過程中，幾乎不發(fā)生收縮，制品在燒結(jié)過程中，幾乎不發(fā)生收縮， 可制成精密度高的產(chǎn)品?？芍瞥删芏雀叩漠a(chǎn)品。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 目前目前Si3N4陶瓷主要用于制造氣輪機(jī)葉陶瓷主要用于制造氣輪機(jī)葉 片、發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等。由于它能耐高溫、片、發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等。由于它能耐高溫、 可大大提高熱機(jī)效率?？纱蟠筇岣邿釞C(jī)效率。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 塞龍塞龍(sialon)陶瓷陶瓷 l Si3N4與與Al2O3可形成一系列固溶體，所得可形成一系列固溶體，所得 的的Si-Al-O-N陶瓷材料稱為陶瓷材料稱為sialon(音譯

34、為音譯為 塞龍塞龍)。 l 它也可看作它也可看作AlN和和SiO2的固溶體。的固溶體。 l 其燒結(jié)機(jī)理稱為其燒結(jié)機(jī)理稱為“過渡液相燒結(jié)過渡液相燒結(jié)”。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 燒結(jié)初期，部分組分形成液相，促進(jìn)燒結(jié)致燒結(jié)初期，部分組分形成液相，促進(jìn)燒結(jié)致 密化。密化。 l 燒結(jié)后期，液相與固相組分反應(yīng)，燒結(jié)后期，液相與固相組分反應(yīng)，Al、O等等 進(jìn)入進(jìn)入-Si3N4晶格，形成固溶體，液相起一晶格，形成固溶體，液相起一 種過渡作用，而沒有在晶界上留下玻璃相。種過渡作用，而沒有在晶界上留下玻璃相。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 所以塞龍?zhí)沾傻母邷貜?qiáng)度、抗氧化性、

35、抗所以塞龍?zhí)沾傻母邷貜?qiáng)度、抗氧化性、抗 蠕變性、抗熱沖擊性能均優(yōu)于蠕變性、抗熱沖擊性能均優(yōu)于Si3N4。 l 添加添加Y2O3、MgO等外加氧化物時(shí)，無壓燒等外加氧化物時(shí)，無壓燒 結(jié)的致密度甚至接近理論密度。結(jié)的致密度甚至接近理論密度。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 塞龍?zhí)沾捎萌執(zhí)沾捎?Si3N4、Al2O3和和AlN粉或粉或- Si3N4、AlN、SiO2粉末作為原料，在粉末作為原料，在N2氣氣 氛中高溫反應(yīng)都可以獲得。氛中高溫反應(yīng)都可以獲得。 l 還可由含還可由含SiO2、Al2O3礦物，如高嶺土、伊礦物，如高嶺土、伊 利石、火山灰等，或工農(nóng)業(yè)廢料，如硅灰、利石、火山灰等

36、，或工農(nóng)業(yè)廢料，如硅灰、 稻殼等，通過碳熱還原反應(yīng)制造。稻殼等，通過碳熱還原反應(yīng)制造。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 雖然其性能因雜質(zhì)含量高而有所下降，但成雖然其性能因雜質(zhì)含量高而有所下降，但成 本低廉，易大規(guī)模生產(chǎn)，不失為一種很有前本低廉，易大規(guī)模生產(chǎn)，不失為一種很有前 途的陶瓷材料。途的陶瓷材料。 l 表表4-5比較摻比較摻Y(jié)2O3的塞龍的塞龍(商品名商品名Syalon101) 和熱壓和熱壓Si3N4、反應(yīng)燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)Si3N4的性能。的性能。 性能性能Syalon101Syalon101熱壓熱壓SiSi3 3N N4 4 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) SiSi3 3N N4 4 室

37、溫抗彎強(qiáng)度室溫抗彎強(qiáng)度/MPa/MPa945945896896241241 韋伯模數(shù)韋伯模數(shù)11111015101510151015 室溫抗拉強(qiáng)度室溫抗拉強(qiáng)度/MPa/MPa450450約580580145145 室溫抗壓強(qiáng)度室溫抗壓強(qiáng)度/MPa/MPa350035003500350010001000 室溫彈性模量室溫彈性模量/MPa/MPa3 3 10105 53.13.1 10105 52.02.0 10105 5 表表4-5 sialon4-5 sialon性能與性能與SiSi3 3N N4 4的比較（續(xù)）的比較（續(xù)） 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 性能性能Syalon101

38、Syalon101 熱壓熱壓SiSi3 3N N4 4 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) SiSi3 3N N4 4 硬度硬度( (VPNVPN，0.5kg0.5kg負(fù)載負(fù)載) )200022009001000 斷裂韌性斷裂韌性/MPam/MPam1/2 1/2 7.751.87 泊松比泊松比0.230.270.27 密度密度/(g/cm/(g/cm3 3) )3.233.263.202.5 表表4-5 sialon4-5 sialon性能與性能與SiSi3 3N N4 4的比較（續(xù)）的比較（續(xù)） 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 表表4-5 4-5 sialonsialon性能與性能與SiSi3 3

39、N N4 4的比較（續(xù)，完）的比較（續(xù)，完） 性能性能Syalon101Syalon101熱壓熱壓SiSi3 3N N4 4 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) SiSi3 3N N4 4 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) (11000) /(11000) /-1 -1 3.043.04 1010-6 -6 3.23.2 1010-6 -6 3.23.2 1010-6 -6 比熱容比熱容/J/(Kkg/J/(Kkg) )620620710710710710 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率/W/(mK/W/(mK) )21.321.32525812812 抗熱沖擊性抗熱沖擊性T/KT/K500/700500/700500500 4.3 典型的

40、結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 塞龍?zhí)沾赡壳白畛晒Φ膽?yīng)用是切削刀具，用塞龍?zhí)沾赡壳白畛晒Φ膽?yīng)用是切削刀具，用 于鑄鐵、鎳基高溫合金切削效果非常好，比于鑄鐵、鎳基高溫合金切削效果非常好，比 TiN涂層硬質(zhì)合金刀具切削速度快涂層硬質(zhì)合金刀具切削速度快5倍，金屬倍，金屬 切除率提高切除率提高5093%，切削時(shí)間減少，切削時(shí)間減少90%。 l 在其它領(lǐng)域，凡是在其它領(lǐng)域，凡是Si3N4可應(yīng)用的地方，塞龍可應(yīng)用的地方，塞龍 陶瓷均可應(yīng)用。陶瓷均可應(yīng)用。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷 l 氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷(AlN)具有纖鋅礦

41、型結(jié)構(gòu)，單晶是具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，單晶是 無色透明體，在常壓下沒有熔點(diǎn)，無色透明體，在常壓下沒有熔點(diǎn)，2450時(shí)時(shí) 升華分解，密度為升華分解，密度為3.26g/cm3。 l 即使在分解溫度前也不軟化變形。即使在分解溫度前也不軟化變形。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氮化鋁陶瓷常溫強(qiáng)度不如氮化鋁陶瓷常溫強(qiáng)度不如Al2O3，但高，但高 溫強(qiáng)度比溫強(qiáng)度比Al2O3高，高， l 熱膨脹系數(shù)比熱膨脹系數(shù)比Al2O3低低(251000， 4.910-6-1)， l 而熱導(dǎo)率是而熱導(dǎo)率是Al2O3的兩倍，故抗熱震性的兩倍，故抗熱震性 優(yōu)于優(yōu)于Al2O3。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶

42、瓷 l AlN 在化學(xué)上也十分穩(wěn)定。在化學(xué)上也十分穩(wěn)定。AlN 電絕緣性電絕緣性 能與能與Al2O3相似，電阻率相似，電阻率1013cm，介電，介電 常數(shù)常數(shù)89(107Hz) 。 l tan0.0010.0001(107Hz)，高頻時(shí)的介，高頻時(shí)的介 電常數(shù)變化小是其特點(diǎn)之一。電常數(shù)變化小是其特點(diǎn)之一。 l 各種方法生產(chǎn)的各種方法生產(chǎn)的AlN陶瓷性能列于表陶瓷性能列于表4-6 。 表表4-6 4-6 各種各種AlNAlN陶瓷的性能（續(xù)）陶瓷的性能（續(xù)） 性能性能 普通燒結(jié)普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) AlNAlN- Y2O3AlNAlN- Y2O3 密度密度/(g/cm/(g/cm3 3) )2

43、.612.933.263.503.203.263.5 氣孔率氣孔率/%/%1020020 顏色顏色灰白黑黑灰黑 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 表表4-6 4-6 各種各種AlNAlN陶瓷的性能（續(xù)）陶瓷的性能（續(xù)） 性能性能 普通燒結(jié)普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) AlNAlN- Y2O3AlNAlN- Y2O3 抗折強(qiáng)度抗折強(qiáng)度/(kgf/mm/(kgf/mm2 2) )10301030456545653040304050905090 硬度硬度/(kgf/mm/(kgf/mm2 2) )1200160012001600120012001200160012001600 彈性模量彈性模量

44、/( /( 10106 6kgf/mmkgf/mm2 2) ) 3.103.103.513.512.792.79 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 表表4-6 4-6 各種各種AlNAlN陶瓷的性能（續(xù)）陶瓷的性能（續(xù)） 性能性能 普通燒結(jié)普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) AlNAlN- Y2O3AlNAlN- Y2O3 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) (251000)/(251000)/-1 -1 5.705.705.045.044.904.90 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 /cal/(cms/cal/(cms) 2002000.070.07 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 表表4-6 4-6 各種各種A

45、lNAlN陶瓷的性能（續(xù)，完）陶瓷的性能（續(xù)，完） 性能性能 普通燒結(jié)普通燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) AlNAlN- Y2O3AlNAlN- Y2O3 8008000.050.05 機(jī)械加工性機(jī)械加工性良良良 抗氧化性抗氧化性劣優(yōu)良優(yōu) 注：注：1kgf=9.80665N；1cal=4.1840J 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l AlN 陶瓷陶瓷最吸引人的應(yīng)用最吸引人的應(yīng)用是做是做集成電路基板集成電路基板。 l 它有良好的絕緣電阻和熱導(dǎo)率，而且熱膨脹系它有良好的絕緣電阻和熱導(dǎo)率，而且熱膨脹系 數(shù)與硅單晶的匹配很好。數(shù)與硅單晶的匹配很好。 l 克服

46、了用克服了用Al2O3作基片時(shí)與硅片不匹配和散熱作基片時(shí)與硅片不匹配和散熱 性能差的缺點(diǎn)。性能差的缺點(diǎn)。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l Al2O3基片上必須涂上銅和鉬鎢的隔離層以彌基片上必須涂上銅和鉬鎢的隔離層以彌 補(bǔ)上述缺點(diǎn)，從而使結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，增加了補(bǔ)上述缺點(diǎn)，從而使結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，增加了 工時(shí)和成本。工時(shí)和成本。 l 采用氮化鋁材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組件的可靠性提采用氮化鋁材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組件的可靠性提 高，并提高了集成度，更加微型化和輕型化，高，并提高了集成度，更加微型化和輕型化， 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 預(yù)計(jì)不久的將來硅器件的集成度可高達(dá)預(yù)計(jì)不久的將

47、來硅器件的集成度可高達(dá)109元元 件件/芯片。芯片。 l AlN 陶瓷還可以取代石英玻璃制作合成陶瓷還可以取代石英玻璃制作合成 GaAs半導(dǎo)體的坩堝，可消除硅對(duì)半導(dǎo)體的坩堝，可消除硅對(duì)GaAs的污的污 染。染。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 純的純的AlN 很難燒結(jié)，因?yàn)楹茈y燒結(jié)，因?yàn)锳l-N鍵屬?gòu)?qiáng)的鍵屬?gòu)?qiáng)的 共價(jià)鍵，鍵能很強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散系數(shù)小，擴(kuò)共價(jià)鍵，鍵能很強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散系數(shù)小，擴(kuò) 散活化能高。散活化能高。 l 在在AlN 燒結(jié)時(shí)往往加入一些燒結(jié)時(shí)往往加入一些BeO、BaO、 Al2O3、Y2O3、MgO等氧化物，使它們與等氧化物，使它們與 AlN反應(yīng)生成一些鋁酸鹽來促進(jìn)燒結(jié)。

48、反應(yīng)生成一些鋁酸鹽來促進(jìn)燒結(jié)。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 由于有第二相的生成并富集于晶界，降低了由于有第二相的生成并富集于晶界，降低了 晶粒處晶界能，使晶界處氣孔易于擴(kuò)散、縮晶粒處晶界能，使晶界處氣孔易于擴(kuò)散、縮 小，達(dá)到致密化的目的。小，達(dá)到致密化的目的。 l 為了促進(jìn)燒結(jié)，提高坯體強(qiáng)度，有時(shí)也加入為了促進(jìn)燒結(jié)，提高坯體強(qiáng)度，有時(shí)也加入 一些金屬，如鐵、鎳、鈷、鉬等細(xì)粉，彌補(bǔ)一些金屬，如鐵、鎳、鈷、鉬等細(xì)粉，彌補(bǔ) 在在AlN坯體中。坯體中。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 下面列出一個(gè)制造下面列出一個(gè)制造AlN陶瓷的工藝實(shí)例：陶瓷的工藝實(shí)例： l 平均粒徑為

49、平均粒徑為2.5m的高純的高純AlN粉和粉和2% (質(zhì)量質(zhì)量 分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù))的的33CaOAl2O3粉添加劑混合、研磨后粉添加劑混合、研磨后 經(jīng)造?；蛑瞥闪蠞{，經(jīng)冷壓或流延法制成素經(jīng)造?；蛑瞥闪蠞{，經(jīng)冷壓或流延法制成素 坯，在坯，在1800氮?dú)夥罩袩Y(jié)氮?dú)夥罩袩Y(jié)10h，可達(dá)理論，可達(dá)理論 密度密度98%以上。以上。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 l BN陶瓷的結(jié)構(gòu)與碳元素相似，有六方和立方陶瓷的結(jié)構(gòu)與碳元素相似，有六方和立方 兩種晶型。六方兩種晶型。六方BN是層狀的白色晶體，莫氏是層狀的白色晶體，莫氏 硬度僅為硬度僅為2，有滑膩感，類似于石墨，俗稱白，有滑膩

50、感，類似于石墨，俗稱白 石墨。石墨。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 沒有石墨那樣令人討厭的黑色，而且沒有石墨那樣令人討厭的黑色，而且 是絕緣體。是絕緣體。 l 室溫電阻率為室溫電阻率為11012cm 。 l 高溫下電阻率仍很高，高溫下電阻率仍很高，1000時(shí)為時(shí)為 103cm，是一種新的固體潤(rùn)滑劑。，是一種新的固體潤(rùn)滑劑。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 與石墨一樣，六方與石墨一樣，六方BN在高溫高壓下在高溫高壓下 (13501800，6.286.59MPa)可轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn) 化為與金剛石結(jié)構(gòu)相似的立方化為與金剛石結(jié)構(gòu)相似的立方BN，其硬，其硬 度僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性

51、和化學(xué)穩(wěn)度僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn) 定性優(yōu)于金剛石。定性優(yōu)于金剛石。 l 立方立方BN與金剛石性能的對(duì)比見表與金剛石性能的對(duì)比見表5-7 。 表表4-7 4-7 金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)）金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)） 性質(zhì)性質(zhì)金剛石金剛石 立方立方BNBN性質(zhì)性質(zhì)金剛石金剛石立方立方BNBN 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)立方立方熔點(diǎn)/ 37003700 40004000 30003000 原子最小原子最小 間距間距/nm/nm 0.1540.1540.1560.156比電阻/m/m 3 3 101011 11 5 5 101012 12 2 2 101010 10 理論密度理論密度

52、/(10/(103 3kg/mkg/m3 3) ) 3.513.513.483.48 彈性模量 /(kgf/mm/(kgf/mm2 2) ) 9 9 10106 67.17.1 10106 6 顯微硬度顯微硬度 /MPa/MPa 86008600 1000010000 70007000 1000010000 抗壓強(qiáng)度 /9.8MPa/9.8MPa 312562312562230500230500 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 表表4-7 4-7 金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)，完）金剛石和立方氮化硼的性能比較（續(xù)，完） 性質(zhì)性質(zhì)金剛石金剛石 立方立方BNBN性質(zhì)性質(zhì)金剛石金剛石

53、立方立方BNBN 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 /10/102 2W/(mK)W/(mK) 20201313解理面(111)(111)(110)(110) 比熱容比熱容0.120.12化學(xué)性質(zhì) 耐酸堿作 用慢 耐酸堿作 用緩慢 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) /10/10-6 -6 -1 -1 0.84.80.84.83.53.5 對(duì)鐵族元 素 易反應(yīng)惰性 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性/約900900約14001400 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l BN是一種惰性物質(zhì)，對(duì)一般金屬熔體、玻璃是一種惰性物質(zhì)，對(duì)一般金屬熔體、玻璃 熔體、酸、堿都有很好耐腐蝕性，可做熔煉金熔體、酸

54、、堿都有很好耐腐蝕性，可做熔煉金 屬的坩堝和各種酸堿盛器、反應(yīng)器及隔離器。屬的坩堝和各種酸堿盛器、反應(yīng)器及隔離器。 l 立方立方BN由于其高硬度和其它優(yōu)異性能，最大由于其高硬度和其它優(yōu)異性能，最大 應(yīng)用前景是切削工具和切削材料，可用加工硬應(yīng)用前景是切削工具和切削材料，可用加工硬 而韌、易于黏結(jié)的難切削材料，還可用來加工而韌、易于黏結(jié)的難切削材料，還可用來加工 氮化硅等高硬陶瓷材料。氮化硅等高硬陶瓷材料。 （二）碳化物（二）碳化物 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 類金剛石薄膜類金剛石薄膜 l 天然金剛石是世界上最硬的材料，但很稀天然金剛石是世界上最硬的材料，但很稀 少。人工合成金剛

55、石是將石墨在高溫和極少。人工合成金剛石是將石墨在高溫和極 高的壓力下轉(zhuǎn)變而成，而且只能得到少量高的壓力下轉(zhuǎn)變而成，而且只能得到少量 的的1mm的小顆粒，技術(shù)難度很大。的小顆粒，技術(shù)難度很大。 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 近年來低壓化學(xué)氣相法合成金剛石制得近年來低壓化學(xué)氣相法合成金剛石制得 了大面積金剛石薄膜，使金剛石合成有了大面積金剛石薄膜，使金剛石合成有 很大的發(fā)展。很大的發(fā)展。 l 這種合成的金剛石薄膜中含有石墨碳和這種合成的金剛石薄膜中含有石墨碳和 碳碳-氫結(jié)構(gòu)，并不完全是純金剛石，故稱氫結(jié)構(gòu)，并不完全是純金剛石，故稱 為類金剛石薄膜。為類金剛石薄膜。 4.3 典型的結(jié)

56、構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 類金剛石薄膜與金剛石相比，含有較多結(jié)構(gòu)類金剛石薄膜與金剛石相比，含有較多結(jié)構(gòu) 缺陷，且多處于亞穩(wěn)態(tài)，是一種石墨與金剛?cè)毕?，且多處于亞穩(wěn)態(tài)，是一種石墨與金剛 石之間的中間狀態(tài)，隨著石之間的中間狀態(tài)，隨著sp3鍵碳含量的增加，鍵碳含量的增加， sp3/ sp2之比增大，則類金剛石薄膜的性質(zhì)之比增大，則類金剛石薄膜的性質(zhì) 接近于金剛石體材料的性質(zhì)。接近于金剛石體材料的性質(zhì)。 l 表表5-8類金剛石薄膜的性質(zhì)與金剛石的比較。類金剛石薄膜的性質(zhì)與金剛石的比較。 表表4-8 4-8 類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)）類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)） 性質(zhì)性質(zhì)金剛石金剛石類金

57、剛石薄膜類金剛石薄膜 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)F.C.CF.C.C非晶/微晶/多晶 密度密度3.513.511.83.41.83.4 莫氏硬度莫氏硬度10107979 顯微硬度顯微硬度/MPa/MPa980009800029400882002940088200 摩擦系數(shù)（與鋼）摩擦系數(shù)（與鋼）0.050.150.050.150.0020.20.0020.2 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 表表4-8 4-8 類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)，完）類金剛石薄膜與金剛石性質(zhì)比較（續(xù)，完） 性質(zhì)性質(zhì)金剛石金剛石類金剛石薄膜類金剛石薄膜 折射率折射率2.422.421.53.01.53.0 熱導(dǎo)率熱

58、導(dǎo)率 /W/(mK/W/(mK) ) 10201020518518 電阻率電阻率/cm/cm a a， b b， a a：101016 16； ； b b：10103 310102 2101014 14 化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性絕大部分無機(jī)酸和溶液許多無機(jī)酸和溶液 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 4.3 典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 第四章 結(jié)構(gòu)陶瓷 l 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 l 碳化硅陶瓷具有碳化硅陶瓷具有硬度高硬度高、高溫強(qiáng)度高高溫強(qiáng)度高、抗氧抗氧 化性好化性好、耐腐蝕性好耐腐蝕性好和和熱導(dǎo)率高等熱導(dǎo)率高等一系列一系列優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)，是一種十分重要的高溫陶瓷材料，很早，是一種十分重要的高溫陶瓷材料，很早 以來就廣泛應(yīng)用于研磨材料和耐火材料，近以來就廣泛應(yīng)用于研磨材料和耐火材料，近 年來作為汽車用陶瓷、燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的年來作為汽車用陶瓷、燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的 主要候選材料之一，更有快速發(fā)展。主要候選材料之一，更有快速發(fā)展。 表表4-9 4-9 各種方法制得的各種方法制得的SiSi3 3N N4 4與與SiCSiC陶瓷性能比較（續(xù)）陶瓷性能比較（續(xù)） 性能性能 材料材料 Si3N4SiC 無壓燒無壓燒 結(jié)結(jié) 熱壓燒熱壓燒 結(jié)結(jié) 反應(yīng)燒反應(yīng)燒 結(jié)結(jié) 無壓燒無壓燒 結(jié)結(jié) 熱壓