陶瓷材料介紹

陶瓷材料陶瓷可以大致定義為金屬元素與非金屬元素的化合物。這里“陶瓷”一詞來(lái)自英語(yǔ)“Ceramic”，大致相當(dāng)于我國(guó)的“無(wú)機(jī)非金屬材料”。因此，陶瓷所包括的范圍遠(yuǎn)不止金屬與非金屬的化合物。除了以上定義所掩蓋的材料外，以二氧化硅為主體的玻璃，碳化硅等無(wú)機(jī)非金屬化合物都被歸入陶瓷的范疇。碳材料也被算作陶瓷家族的一員。但上述定義為陶瓷材料的分類(lèi)供給鹵化物一般不用作材料，只以溶液形式作試劑使用。但在光學(xué)透鏡和分析樣品載體方面，鹵化物還是有肯定應(yīng)用的。Ceramic一詞的遠(yuǎn)祖是希臘文“keramos”，意為“灼燒過(guò)的泥土”。人類(lèi)使用陶器與瓷器的年月甚至要早于使用金屬。直到現(xiàn)代，一提起陶瓷，人們不免想起飯碗、茶杯等用具，很難想到日常接觸的磚頭、水泥、混凝土也是陶瓷，更難想像近年來(lái)消滅的高科技陶瓷了。60年月，人們開(kāi)頭開(kāi)發(fā)一代的陶瓷材料。被開(kāi)發(fā)的陶瓷材料有的是傳統(tǒng)材料的利用，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅等，有的則是人工合成的材料如碳化鎢、碳化鈮等。半穩(wěn)定的氧化鋯更是高科技的產(chǎn)物。人們給一代陶瓷材料冠以各種各樣的名稱：高科技陶瓷、高性能陶瓷、精細(xì)陶瓷、型陶瓷、高增值陶瓷、工程陶瓷及先進(jìn)陶瓷等。在本書(shū)中我們傾向于使用“先進(jìn)陶瓷”一詞。及的，如耐熱性、硬度、耐磨、化學(xué)穩(wěn)定性、韌性等。陶瓷制造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件正在靜靜地取代金屬部件，光導(dǎo)纖維已全面占據(jù)了通信領(lǐng)域，陶瓷燃料電池正在試制之中。陶瓷的高硬度5-1畫(huà)出了陶瓷的局部應(yīng)用。5-1陶瓷的應(yīng)用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的影響也最小，陶瓷的廢棄物對(duì)環(huán)境也不會(huì)有太大的不利影響。在金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料四類(lèi)材料中，陶瓷是最為環(huán)境友好的一類(lèi)材料。由于地殼組成的特點(diǎn)，鋁、硅、氧、氮、碳都是最豐富的元素，人類(lèi)已經(jīng)在問(wèn)自己：是否要回歸陶瓷時(shí)代？陶瓷的性質(zhì)孔隙度與密度7.8g/cm0.89g/c，0.94g/cm3，意義是很清楚的。但當(dāng)我們描述陶瓷的密度時(shí)，就必需說(shuō)明是什么密度。由于陶瓷一般是由微小的顆粒燒結(jié)而成的，顆粒之間必定存在孔隙，于是〔這里“孔微米或納米級(jí)但所謂“真實(shí)”密度并不等于理論密度〔r〕，理論密度是計(jì)算得到的晶格密度，而真實(shí)密度是用某種測(cè)定方法得到的不含孔隙的密度?？紫扼w積占表觀體積的百分?jǐn)?shù)稱為孔隙度。假設(shè)我們說(shuō)某一陶瓷的孔隙度為20%，那么其表面密度就應(yīng)是理論密度的80%。60%。要想提高陶瓷的密度，可實(shí)行很多措施。如使用寬分布的顆粒，讓小顆粒嵌入大顆粒的縫隙中；或承受機(jī)械振動(dòng)，拍打等手段。80%以上。要想進(jìn)一步提高密度，就不95%以上。陶瓷中的孔隙分為開(kāi)孔和閉孔。開(kāi)孔指孔隙與外部相通，可以注入液體。閉孔則是完全被陶瓷基體包圍的孔隙。閉孔只有通過(guò)理論計(jì)算，從表觀密度與理論ASTMC373的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展測(cè)定。這一標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)是阿基米德定律：一個(gè)物體在液體中所受浮力為該物體所排開(kāi)液體的重量。阿基米德定律的另一種表述則更為有用：物體在液體中的重量等于該物體的干重量減去所受的浮力。只須稱三個(gè)重量：枯燥重量WD，孔隙中布滿液體后的重量WS以及在液體中且布滿液體后的重量WL，就能夠計(jì)算陶瓷的表觀密度與表觀孔隙率。表觀體積： (5-1)真實(shí)體積： (5-2)表觀密度： (5-3)真實(shí)密度： (5-4)表觀孔隙率： (5-5)真實(shí)孔隙率： 〔5-6〕假設(shè)用水作測(cè)量液，上述公式中的dL=1，計(jì)算就能進(jìn)一步簡(jiǎn)化。5－1：碳化硅的理論密度r＝3.2g/cm3360g，浸飽水的重量為385g，水中重量為224g，求其表觀密度，表觀孔隙率，真實(shí)孔隙率及閉孔的體積分?jǐn)?shù)。解：WD＝360，WL＝385，WS＝224，dL＝1。表觀密度表觀孔隙率真實(shí)孔隙率表觀孔隙率真實(shí)孔隙率閉孔的所占百分?jǐn)?shù)應(yīng)為真實(shí)孔隙率減去表觀孔隙率：30－15.5=14.5。閉孔在孔體積中的14.5/30=0.4833倍。假設(shè)孔隙不是圓形，應(yīng)力集中的狀況更嚴(yán)峻。其次，孔隙的存在減小了實(shí)際截面積，材料所承受的負(fù)荷高于表觀上的應(yīng)力。因此，孔隙度越高，陶瓷的強(qiáng)度和模量也就越低。磨損的定義是外表物質(zhì)的削減。磨損是機(jī)械故障或壞損的主要緣由之一。我國(guó)每年因磨損而造成的損失在幾十億元以上。而使用陶瓷材料則是降低這項(xiàng)浩大開(kāi)支的有效方法。造成磨損〔100×2×6m將樣品裝在一根軸上，軸帶動(dòng)樣品在一個(gè)裝滿磨料的容器中轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)定磨擦前和磨擦后樣品的重量差，可以得出樣品的抗磨損性能。據(jù)說(shuō)這種方法最能代表實(shí)際使用狀況。還可以用磨擦壽命因子來(lái)表征抗磨損性能。因子值越高，壽命越長(zhǎng)。AlanxCGCG896是碳化硅顆粒在氧化鋁和某種合金中的復(fù)合材料。碳化硅和氧化鋁都是耐磨的，合金則是作為兩種陶瓷的粘結(jié)材料。5-2CG896和其它材料的磨擦壽命，可以看出這種材料在耐磨方面是極為優(yōu)越的。5-2各種材料耐磨性的的比較斷裂韌性只要玻璃上有一道劃痕，就可以從這道劃痕開(kāi)頭使玻璃斷成兩半。即使是從外表上看不出裂紋，內(nèi)部細(xì)小的裂紋也足以使陶瓷制品斷裂。而金屬與聚合物材料就不同。既使是很脆的聚5-3是典型金屬與陶瓷材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比照。金屬能夠發(fā)生較大的塑性形變，而陶瓷只有很小的彈性形變，看不到屈服點(diǎn)。缺乏韌性是限制陶瓷應(yīng)用的最大障礙，所以陶瓷的韌性受到了較多的關(guān)注。5-3金屬與陶瓷的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線同其它材料一樣，陶瓷韌性的度量也是用臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1C。K1C有時(shí)也稱作斷裂韌性。1x軸，產(chǎn)生正應(yīng)力。假設(shè)外力作用的結(jié)果是產(chǎn)生剪應(yīng)力，斷裂韌性就應(yīng)是K2C。測(cè)定陶瓷斷裂韌性的方法如圖5-4所示，使用的樣品有兩種：?jiǎn)稳笨谠嚇雍虲hevron試樣。二者的區(qū)分僅在于開(kāi)缺口的方式不同。單缺口試樣是平缺口，如圖5-4(b)所示。Chevron試樣開(kāi)的是Chevron5-4(a)所示。Chevron缺口的好處是裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中的擴(kuò)展速率越來(lái)越慢，由于阻力越來(lái)越大。兩種樣品都能夠直接測(cè)定斷裂韌性。單缺口樣品的計(jì)算公式為：% (5-6)其中： P=外力a-裂縫長(zhǎng)度S1、S2-5-4所示B-樣品厚度W-樣品高度Y-無(wú)量綱校正因子斷裂韌性的量綱為Mpa.m1/2。一旦受力條件超過(guò)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，材料就會(huì)斷裂。外力越大，裂縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，材料就越簡(jiǎn)潔斷裂。無(wú)損探傷所能探測(cè)的裂縫下限為50μm，而導(dǎo)致陶瓷斷裂的裂縫往往小于50μm。所以陶瓷的脆性成為先進(jìn)陶瓷開(kāi)發(fā)應(yīng)用的瓶頸。在本章中我們將會(huì)看到，在陶瓷的增韌方面已經(jīng)取得很大進(jìn)展，韌化陶瓷的斷裂韌性已經(jīng)到達(dá)與金5-5。5-45-4斷裂韌性的測(cè)定5-5金屬與陶瓷的撓曲強(qiáng)度與裂縫尺寸關(guān)系(a)單缺口試樣(b)Chevron試樣2s340°C1230°C之間變化一周。目前設(shè)計(jì)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子要求在2s1200°C之間變化一周。這種驟冷驟熱會(huì)導(dǎo)致材料的機(jī)械破壞，尤其是陶瓷材料。金屬?zèng)]有熱沖擊的問(wèn)題。由于金屬有大量自由電子，可以很快將熱量分布均勻，且金屬較簡(jiǎn)潔發(fā)生彈性形變和塑性形變，不會(huì)由于驟冷驟熱很簡(jiǎn)潔造成開(kāi)裂。假設(shè)一種材料具有同素異構(gòu)性且在溫度變化過(guò)程中會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，熱沖擊例如二氧化鋯在1000°C以上為正交晶系，在1000°C時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本?，并伴隨猛烈的體積膨脹。這一膨脹往往會(huì)使材料崩裂。考慮材料的抗熱沖擊性能時(shí)，必需同時(shí)考慮彈性模量〔E〕、線膨脹系數(shù)〔a〕、導(dǎo)熱系數(shù)〔k〕、拉伸強(qiáng)度〔s〕與斷裂韌性〔K1C〕。例如，硅酸鋰鋁〔LAS〕就具有極低的熱脹系數(shù)〔2.0×10-6/K〕，盡管其導(dǎo)熱性很低，強(qiáng)度與模量都很低，韌性也差，卻是抱負(fù)的抗熱沖擊材料。此外，陶瓷的孔隙率、顆粒尺寸等都是值得考慮的因素。如上所述，陶瓷中的孔隙是造成應(yīng)力集中的隱患，對(duì)抗熱沖擊性能的影響最大。寸差不多，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，根本不受熱沖擊的影響。為定量評(píng)價(jià)材料的抗熱沖擊性，可以用一種抗熱沖擊指數(shù)〔TSI〕來(lái)衡量：TSI= (5-7)s－拉伸強(qiáng)度k－導(dǎo)熱系數(shù)a－線性熱脹系數(shù)E－彈性模量〔楊氏模量〕從式(5-7)可以看出，對(duì)抗熱沖擊性質(zhì)而言，導(dǎo)熱系數(shù)越大越好，而熱脹系數(shù)越小越好。表5-1是一些材料的抗熱沖擊性：表5-1 一些材料的抗熱沖擊性質(zhì)SiO2686×10-20.67294A12O32043×10-15.434433石墨8.71.43.87.7416鈉玻璃692×10-29.2682.1材料s(Mpa)材料s(Mpa)k(W/cmK)a(×10-6/K)E(Gpa)TSI(W/cm)當(dāng)一個(gè)外表受到照耀時(shí)，它會(huì)吸取局部或全部輻射〔能量〕，也會(huì)反射局部或全部輻射。被吸取的能量分?jǐn)?shù)稱為輻射系數(shù)〔e〕。黑體〔抱負(fù)吸取體〕的輻射系數(shù)為1，抱負(fù)反射體的輻射系數(shù)為零。于是我們看到，這個(gè)名稱語(yǔ)意正相反，依據(jù)定義應(yīng)當(dāng)稱為吸取系數(shù)。但我們?nèi)员４嫫湓瓉?lái)的字面。又起到寵保護(hù)作用。更貼近生活的一個(gè)例子是節(jié)能玻璃。也具有很低的輻射系數(shù)，在夏季能夠反射更多的陽(yáng)光。反過(guò)來(lái)，用于太陽(yáng)能發(fā)電或取暖的設(shè)備需要吸取更多的太陽(yáng)能。陶瓷材料的加工〔不是全部〕陶瓷在冷階段之前有一個(gè)粉體制取的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程的起成的構(gòu)造因素都要帶到最終制品之中。粉體的制取結(jié)制備的。制取方法因材料而異，下面對(duì)一些重要陶瓷材料作簡(jiǎn)潔介紹。淀。氫氧化鋁經(jīng)熱處理就轉(zhuǎn)化為氧化鋁。大局部氧化鋁粉體被用于電解生產(chǎn)金屬鋁。少局部用于生產(chǎn)陶瓷，包括翻砂模具、高溫水泥、摩擦部件、耐火材料等。MgCO3制取。先從海水中取得氫氧化鎂，再加熱轉(zhuǎn)化為氧化鎂MgO。同氧化鋁一樣，大量的氧化鎂用于生產(chǎn)金屬鎂，但少量的氧化鎂用于制備高溫絕緣與耐火材料?！睸iC〕用AchesonSiO22200°C。CO氣體。碳化硅也能用其它的碳源生產(chǎn)，例如稻糠。碳化硅是最有期望制造內(nèi)燃機(jī)的陶瓷材料。1250°1400°CabSiO2SiCl4與氨作用生成。韌作用，這種增韌作用是人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。氧化鋯可用于加工銅棒的擠出模具以及作為內(nèi)燃機(jī)零件的等離子噴涂保護(hù)膜。97%。固然，要加工成我們常用的鈦白粉還要經(jīng)過(guò)一系列簡(jiǎn)單的化學(xué)過(guò)程。工藝有金屬有機(jī)聚合物的熱解，碳熱復(fù)原法、等離子體合成、激光合成等。冷壓與燒結(jié)這一步是將粉體制成型坯。首先要與粘合劑、潤(rùn)滑劑等混合。粘合劑都是有機(jī)物質(zhì)，可以在0~4%，就稱為干壓；假設(shè)水分在10％~15%，就稱為濕壓。粘土類(lèi)陶瓷制作時(shí)就必需使用濕壓。簡(jiǎn)潔制品、小型制品都只使用單向壓機(jī)，而外形簡(jiǎn)單或較大型的制品就必需使用均勻壓力裝置，以到達(dá)較高的密度。均勻壓制的方法也分為干法與濕法。但不是依據(jù)型坯中的水分，而是依據(jù)傳遞壓力的介質(zhì)分。濕法見(jiàn)圖5-6(b)。粉體被密封在不透液體的柔性模具中，四周都是液體。壓力施加到液體上，通過(guò)柔性模具傳遞到型坯上。干法均勻壓制見(jiàn)圖5-6(a)。它也是使用彈性體制造的柔性模具，也是通過(guò)液體加壓。與濕法不同的是，液體不是直接將壓力傳遞到模具上，而是先傳遞到外層彈性體上，再通過(guò)這層彈性體再傳遞到內(nèi)層的模具上。有了外層彈性體，就使操作便利得多了。不僅提高了工作效率，還提高了尺寸掌握精度。5-6陶瓷型坯的均勻壓制(a)干法(b)濕法型坯壓制完成后，需要在高溫下燒結(jié)，即使顆粒發(fā)生充分的流淌，相互粘結(jié)在一起。燒結(jié)過(guò)程可大大增加型坯的密度，到達(dá)90％~95%。燒結(jié)過(guò)程中密度增加，粒度也會(huì)增加。粒度的例如Si3N4必需在封閉體系中在有壓力的氮?dú)庀聼Y(jié)，否則就會(huì)發(fā)生分解。具有高介電損耗的陶瓷可以用微波加熱，如Al2O3、ZrO2等。利用介質(zhì)加熱是對(duì)陶瓷粒子外表加熱，在粒子內(nèi)形成溫度梯度。而使用微波加熱是使整個(gè)粒子均勻受熱，可降低燒結(jié)溫度，限制大粒子的100%。這一技術(shù)稱為液相燒結(jié)法，低熔點(diǎn)相則稱為燒結(jié)助劑。熱壓在陶瓷粉體轉(zhuǎn)變?yōu)橹破返倪^(guò)程中，有時(shí)可以分成清楚的冷壓與熱壓兩個(gè)階段，有時(shí)則二者相結(jié)合，一次成型。一種單向熱壓裝置見(jiàn)圖5-7。在壓力條件下燒結(jié)，促進(jìn)粒子間的接觸，使98%0.5Tm〔K〕。熱壓溫度打算了設(shè)備的類(lèi)型。假設(shè)壓制溫度在2000°C以上，就要使用石墨及碳化硅等耐熱部件。熱壓壓力一般6.9~34.5MPa5-2Si3N4的不同性能。材料燒結(jié)助劑密度/室溫?cái)嗔涯Ａ坎牧蠠Y(jié)助劑密度/室溫?cái)嗔涯Ａ繜酳i3N4燒Si3N4熱Si3N4燒Si3N4燒Si3N4熱Si3N4222323(%,理論)/MPa/MPa壓5%MgO>98587173結(jié)5%MgO~90483138壓1%MgO>99952414結(jié)BeSiN +SiO>99560-結(jié)6%YO-98587414壓13%YO>998976695-75-7陶瓷熱壓裝置體來(lái)傳遞壓力，只能用惰性氣體氦氣或氬氣。但惰性氣體在高溫下會(huì)被離子化，形成的等離子體會(huì)與型坯作用。為防止這一點(diǎn)，型坯必需被完全密封。對(duì)熱壓模具的材料要求也格外嚴(yán)格，既要耐高溫，又要耐高壓〔242MPa〕。溫度較低時(shí)可承受玻璃或鋼模具，溫度較高時(shí)就要使用石墨或鉬等耐高溫材料。均勻熱壓設(shè)備昂貴，技術(shù)簡(jiǎn)單，只用來(lái)制造磁記錄頭及內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵部件等高值產(chǎn)品。溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是通過(guò)烷氧化物的水解合成氧化物的化學(xué)加工方法。溶膠是指直徑小于0.1mm的膠體粒子在液體中的穩(wěn)定懸浮液，或者說(shuō)是膠體粒子與液體的混合物，膠體粒子可以在液體中長(zhǎng)時(shí)間懸浮而不會(huì)沉淀?；蛞蚰z體粒子之間發(fā)生化學(xué)反響，或因膠體粒子間發(fā)生物理分散，可使體系粘度增大而失去流淌性〔見(jiàn)圖5-8〕。溶膠失去流淌性即稱為凝膠。由粒子間-凝膠法，反響的起點(diǎn)也可以-凝膠5-8膠體粒子間的分散溶膠-制備的起點(diǎn)配方為43%〔體積分?jǐn)?shù)〕四氧乙基硅，43%乙醇，14%水。四氧乙基硅水解生成硅醇與乙醇，硅醇之間再通過(guò)縮聚連接成為體型的硅陶瓷〔圖5-9〕。在多組分過(guò)程中是由5-3所示。多組分過(guò)程中會(huì)發(fā)生的問(wèn)題是不同的烷氧化物的水解速率不同，造成體系的不均勻性。解決這一問(wèn)題的途徑之一是先對(duì)活性低的組分如四氧乙基硅進(jìn)展水解，然后再參加活性高的組分如三丙氧基鈦和鋁等。反響起點(diǎn)的溶液或溶膠粘度很低，隨著反響的進(jìn)展，粘度漸漸增大。到了某一點(diǎn)，溶液或溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟?凝膠轉(zhuǎn)變點(diǎn)。溶液或溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變的不同在于，溶液-凝膠轉(zhuǎn)變是不行逆的，而溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變是可逆的。溶液-凝膠轉(zhuǎn)變沒(méi)有體積變化，而溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變涉及粒子的分散，發(fā)生體積收縮。5-3單組分與多組分烷氧化物溶液配方相對(duì)密度原料 分子〔20°C〕

溶液濃度〔g/100g〕單組分：

雙組分：94mol%SiO

三組分：15mol%Li2O質(zhì)量 100%SiO2

26mol%TiO2

3mol%Al2O382mol%SiO2Si(OC2H5)42080.936451135Ti(OC3H7)42840.955--1--Al(OC4H9)32460.967----1LiNO3692.380----3C2H5O460.789403629H2O181.000155233最終氧化物含-- --量〔g/100g〕

11.3

3.15

10.65-9硅凝膠的形成過(guò)程脫除，馬上凝膠枯燥。溶膠-凝膠法最廣泛的應(yīng)用是制造薄膜與涂層。制膜或涂層的主要方法是浸漬。使基材在溶液中通過(guò)，基材外表就會(huì)留下一層膜。膜的厚度取決于溶液粘度、外表張力、基材牽引速度和溶液中氧化物的濃度。設(shè)法將膜與基材相分別，就制得陶瓷薄膜。假設(shè)需要單面涂覆，就要使用流延法：使基材固定，將溶液均勻涂在基材外表。不管用什么方法，一次涂覆的厚50~500nm之間。更厚的涂層就需要屢次浸漬或涂覆。溶膠-凝膠法的另一應(yīng)用是制造纖維。假設(shè)使用溶液，可以掌握溶液的粘度，在最適宜的最探究的方法是將溶膠或溶液涂覆在有機(jī)纖維的外表上。除掉芯層的有機(jī)纖維，外面的殼層就能坍縮為陶瓷纖維。用這一方法還有可能制造出中空纖維。內(nèi)發(fā)生反響生成凝膠。待凝膠的外形固定之后便可脫除模具。使凝膠枯燥，再進(jìn)展燒結(jié)，就可以得到具有尺寸精度的制品。用這種方法可以制造陶瓷制品，也可以制造陶瓷復(fù)合材料。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是高純度、高均勻性和低溫操作。由于組分間的結(jié)合是在溶液中完成的，1/2到2/3-凝膠法就成為首選方法。氣相加工法氣相加工法的過(guò)程是，加熱一個(gè)固體使之轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝．?dāng)這一蒸汽與冷的基體外表接觸時(shí)，會(huì)快速分散為固體，粘附在基體外表上。用此類(lèi)方法可在材料外表涂上一層結(jié)實(shí)的薄膜，到達(dá)〔CVD〕〔PVD〕是兩種蒸汽加工方法〔詳見(jiàn)第八章〕。用這種技術(shù)可以在任何金屬和陶瓷材料外表涂密實(shí)的陶瓷或金屬膜，膜的厚度可任意掌握，并可使陶瓷與金屬嚴(yán)密結(jié)合。這些優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)陶瓷加工所不能比較或無(wú)法做到的?；瘜W(xué)蒸汽滲透法〔CVI〕是CVD技術(shù)在制備復(fù)合材料中的應(yīng)用。它是將氣體、液體或溶膠滲透沉積到型坯的縫隙中，通過(guò)化學(xué)反響生成復(fù)合材料的基體，原來(lái)的型坯就成為增加材CVD不同的是，CVDCVI是沉積到纖維型坯中的纖維外表或纖維之間，形成復(fù)合材料的基體。通過(guò)化學(xué)蒸汽滲透法可生成多種基體，如硼化物、碳化物、氮化物、氧化物等。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是制備溫度低，可以避開(kāi)損害-陶瓷復(fù)合材料。例如制備碳化硅纖維在三氧化二鋁中的復(fù)合材料。碳化硅纖維直徑只有10mm，經(jīng)受不住傳統(tǒng)加工方法中的應(yīng)力與壓力。而化學(xué)蒸汽滲透法使用低壓力與氣體原料，滲透纖維的每一個(gè)縫隙，將基5-10CVI爐的示意圖。在纖維預(yù)制件中預(yù)置一個(gè)溫度梯度，同時(shí)還施加一個(gè)反方向的氣體壓力梯度，迫使反響氣體強(qiáng)行通過(guò)型坯低溫區(qū)。由于溫度低而不發(fā)生反響。當(dāng)反響氣體到達(dá)溫度較高的區(qū)域后發(fā)生分解并沉積。在纖維上與纖維間形成基體。在此過(guò)程中，溫度界面不斷由型坯頂部的高溫區(qū)向強(qiáng)行通過(guò)型坯低溫區(qū)。由于溫度低而不發(fā)生反響。當(dāng)反響氣體到達(dá)溫度較高的區(qū)域后發(fā)生分解并沉積。在纖維上與纖維間形成基體。在此過(guò)程中，溫度界面不斷由型坯頂部的高溫區(qū)向沉積速率。5-10化學(xué)蒸汽滲透裝置由于CVI是個(gè)分子過(guò)程，基體材料一分子一分子地沉積在縫隙中，經(jīng)濟(jì)性較差。反響熔體滲透法可以彌補(bǔ)這一缺乏。CVI需要幾天的過(guò)程，反響熔體滲透法只需幾分鐘，花費(fèi)的本錢(qián)CVI/用熔融硅進(jìn)展?jié)B透，硅與碳反響再生成碳化硅，包復(fù)在原有的碳化硅纖維上。這種方法也能100%。5-115-11(a)是物理融合過(guò)程，融合的同時(shí)伴隨著體積收縮。圖5-11(b)是化學(xué)融合過(guò)程，材料體積可保持不變。物理融合依靠的是顆粒的熔融，需要2000°C以上的高溫，而化學(xué)融合是通過(guò)粒子間的化學(xué)1400°C成所需外形，然后在高溫下與硅的蒸汽或硅的熔體作用。碳與硅反響生成碳化硅，將原有的碳化硅顆粒融合起來(lái)。過(guò)剩的硅滲透到顆粒的每一個(gè)縫隙，最終形成無(wú)孔隙的復(fù)合材料〔SiC/Si〕。這種復(fù)合材料還有一種制法，就是將碳纖維的編織布浸到熔融的硅中，碳纖維料。5-11(a)物理融合(b)化學(xué)融合反響燒結(jié)氮化硅的加工方法與此類(lèi)似。先用硅制成型坯，置于氮?dú)?、?氦或氮/氫混合氣體中。先將溫度升至1250°C，氮?dú)忾_(kāi)頭滲入型坯與硅作用生成Si3N4，逐步將溫度升至略低于硅的熔點(diǎn)四周以加快反響。這種反響要持續(xù)約一個(gè)星期，可以得到具有良好尺寸穩(wěn)定性、抗熱沖擊性、良好導(dǎo)熱性的陶瓷材料。唯一的缺點(diǎn)是材料仍具有通孔，耐氧化性略顯缺乏。假設(shè)在充分的氧氣下，會(huì)與氮化硅作用在外表生成二氧化硅(SiO2)。這層二氧化硅會(huì)起到保護(hù)膜的作用，使氧氣不能進(jìn)到材料內(nèi)部。這種氧化稱為鈍性氧化。假設(shè)氧氣缺乏，就會(huì)生成氣體一氧化硅(SiO)。此類(lèi)氧化會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)展下去，稱為活性氧化。在氧氣缺乏的外層空間，最簡(jiǎn)潔發(fā)生這種反響。因此氮化硅制品都預(yù)先氧化生成一層二氧化硅，就能對(duì)內(nèi)部材料起到保護(hù)作用。金屬定向氧化法金屬定向氧化法〔Dimox法〕是由熔融的金屬與氧氣作用生成陶瓷基復(fù)合材料，由Lanxide198319895-12其尺寸與最終制品完全全都。型坯可以用任何方法制備，不管是冷壓、均勻熱壓、澆鑄、還是注射成型。型坯外殼是一層阻隔材料，保證基體嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)的外形和尺寸布滿型坯。將型坯放在基體金屬錠上面，置于氧氣氣氛下，加熱到足以使金屬熔融的溫度。熔融的金屬與氧氣快速作用生成氧化物，氧化物向型坯集中并最終布滿型坯，成為復(fù)合材料的基體。金屬的氧化會(huì)生成固體陶瓷層，阻隔了金屬的進(jìn)一步氧化。此時(shí)可參加助劑鎂或硅，可幫助熔融金屬對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕并降低陶瓷粒子的顆粒穩(wěn)定性，從而保證了金屬不斷被氧化。這一方法的驚奇之處在于仿佛金屬是被自己的氧化物吸著走，始終向材料內(nèi)部深入，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷被氧化，直到金屬被耗盡或型坯被布滿。金屬氧化物在布滿型坯的過(guò)程中幾乎不發(fā)生尺寸變化，保證了最終制品的尺寸精度和密度。陶瓷加工過(guò)程中難以抑制的問(wèn)題是產(chǎn)生孔隙和尺寸收縮，而用金屬定向氧化法可以完全避開(kāi)這兩個(gè)問(wèn)題。SiCAl2O3。SiC的形式是迭層纖維織物。用金屬鋁定5－4?？篃釠_擊性能也格外優(yōu)異，可以加熱到1200°C快速冷卻到室溫而只有稍微的損傷〔強(qiáng)度降低16%〕；而單獨(dú)的碳化硅或氧化鋁從200°-400°C淬火就會(huì)完全損壞。Al2O3基體也可以用SiC顆粒增加。產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐磨性能，廣泛用作耐磨部件和襯里。5－4定向氧化法材料的力學(xué)性能/MPa/MPa·m1/22146127.8120048823.3130040019.2140034015.6溫度/C四點(diǎn)撓曲強(qiáng)度Chevron 缺口韌性金屬定向氧化法的一個(gè)變例是硼化鋯〔ZrB2〕碎屑增加的碳化鋯〔ZrC〕。為形成這種復(fù)合材料，金屬鋯在1850-2000°C下的熔體定向地與石墨模具中的B4C粉末作用，同時(shí)生成兩個(gè)陶瓷相ZrB2與ZrC，ZrB2以六方晶片的形式分散于ZrC連續(xù)相之中，也有少量金屬鋯存在10-12MPa·m1/2，溫度/C四點(diǎn)撓曲強(qiáng)度Chevron 缺口韌性5-12定向氧化法5-13所示。將被復(fù)制金屬件嵌入型當(dāng)溫度升到金屬熔點(diǎn)以上時(shí)，液體金屬一面對(duì)型坯滲透，一面被氧化，最終以氧化物的形式完全布滿型坯。金屬耗盡留下的空間恰恰就是要復(fù)制的外形。5-13外形復(fù)制聚合物前驅(qū)體法一種獨(dú)特的加工技術(shù)可以聚合物為起點(diǎn)加工出陶瓷制品。這種方法不能生產(chǎn)氧化物，卻可以生產(chǎn)出碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼與氮化鈦。廣泛應(yīng)用的制品形式包括纖維、涂層、非遷移性粘合劑與陶瓷基復(fù)合材料。制造陶瓷所用的聚合物都是硅樹(shù)脂，如聚硅苯乙烯、乙烯基聚硅烷、聚硅氨烷、聚羰基硅烷等。從聚合物制造陶瓷，第一步是將聚合物制造成所需的外形，或?yàn)槔w維，或?yàn)楦鞣N外形的制品。其次步是將聚合物轉(zhuǎn)化為陶瓷，可以在惰性氣體1000°CSiCSi-N-C進(jìn)展氨解，得到Si2N2O、Si3N4的粉末或纖維。熱解的結(jié)果使材料重量損失，體積收縮，密度增加。按重量計(jì)的得率在60％-90%，而按體積計(jì)的得率只有25％-35%。體積收縮對(duì)纖維5-14是這些材料的加工工藝路線。5-14聚合物前驅(qū)體法制備陶瓷工藝路線有兩種聚合物前驅(qū)體的陶瓷纖維已經(jīng)工業(yè)化，商品名分別為Nicalon和Tyranno。兩種纖15mm，都可以進(jìn)展紡織。是纖維的預(yù)浸及型坯的制備?？梢允抢w維預(yù)浸后紡織成織物，也可以是纖維紡織成織物后再進(jìn)展預(yù)浸。預(yù)浸料可通過(guò)壓制、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑、纖維纏繞等方法制成型坯。預(yù)成型之后，聚合物前驅(qū)體就被固化和熱解。熱解過(guò)程中聚合物會(huì)收縮，產(chǎn)生孔隙與裂縫。要得到密實(shí)的材料，需要進(jìn)展屢次浸漬與固化、熱解的循環(huán)過(guò)程。依據(jù)纖維的用量與熱解后的產(chǎn)率，循環(huán)次4~10次。Nicalon1200°C熱解后的產(chǎn)率為80%，化學(xué)組成為Si：35%，C：45%，O：20%。在6次浸漬/熱解循環(huán)2.15g/cm3的密度。氧烷與聚羰基硅氧烷溶于一種有機(jī)溶劑，噴涂或刷涂在基底上。加熱到200-250°C以脫除全部10-250nm600-900°C的溫度下熱解。涂層厚度CVD等過(guò)程。聚合物的密度低于陶瓷，而型坯的密度主要取決于陶瓷顆粒的積存。聚合物對(duì)燒結(jié)后制品的密度奉獻(xiàn)取決于聚合物的產(chǎn)率。假設(shè)產(chǎn)率為50%，就相當(dāng)于為最終制品奉獻(xiàn)了9%的密度。在一項(xiàng)工作中，承受聚硅烷、聚硅氨烷與Si3N4混合，同時(shí)參加Al2O3Y2O3燒結(jié)助劑。型坯在900°C、氮?dú)夥障聼峤猓僭?1700-1900°C，高壓氮?dú)庀聼Y(jié)。所得制品密度為2.94~3.30g/cm3。性質(zhì)。目前所用的前驅(qū)體都是含硅聚合物，將來(lái)會(huì)有更多的聚合物成為陶瓷材料的前驅(qū)體。工程陶瓷材料氧化物氧化物是最大的一族陶瓷材料。氧可以與幾乎全部金屬形成化合物，也可以與很多非金屬元素化合。氧化物可分為單氧化物與復(fù)氧化物兩大類(lèi)。單氧化物是氧與另一種元素形成的二元化合物，而復(fù)氧化物是氧與兩種以上元素形成的化合物。單氧化物是按氧原子數(shù)與另一種原子數(shù)的比例分類(lèi)的。以字母A代表另一種元素，單氧化物可以有A2O，AO，A3O4，A2O3，AO2，AO3AO〔MgO〕〔ZnO〕〔NiO〕；AO2型中較重要的有二氧化硅〔SiO2〕、二氧化鈦(TiO2)和二氧化鋯〔ZrO2〕；A2O3型中最重要的是三氧化二鋁〔Al2O3〕5－15所示。5－15氧化物的分類(lèi)二氧化鈦(TiO2)有三種晶形：低溫下穩(wěn)定的銳鈦〔anatase〕、板鈦(brookite)與高溫下穩(wěn)定的金紅石(rutile)400~1000°C的溫度范圍內(nèi)會(huì)不行逆地轉(zhuǎn)化為金紅石。氧化鋁〔Al2O3〕是在鋁釩土(Al2O3·2H2O)的加熱過(guò)程中制得的。在不斷升溫的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)a-Al2O3。a-Al2O31200°C以上唯一可用作構(gòu)造材料與電子材料的穩(wěn)定形式。g-Al2O3，但只能在催化方面應(yīng)用。故在本書(shū)中Al2O3a-Al2O3。由于O-Al400kcal/mol，Al2O3具有突出的物理性質(zhì)，硬度是氧化物中最高的，而熔2050°C。工合成的，而是直接取自礦物，用于耐火材料、磚瓦、瓷器和陶器。一般說(shuō)來(lái)，硅酸鹽的力學(xué)性能低于氧化鋁、氧化鋯等單氧化物，但在民用領(lǐng)域，各種硅酸鹽得到了廣泛的應(yīng)用，也有少數(shù)作為工程陶瓷應(yīng)用。我們只以堇青石和葉蠟石作為此類(lèi)工程陶瓷的代表加以介紹。堇青石(Cordierite,2MgO·2Al2O3·5SiO2)的熱脹系數(shù)極低，所以有很高的抗熱沖擊性能。純度與加工重復(fù)性，工程應(yīng)用中都使用六方晶形的合成堇青石。葉蠟石(Pyrophyllite)是一種層狀構(gòu)造的硅酸鹽，化學(xué)組成為Al2(Si2O5)2(OH)2。它的用途“魔石”。層間作用力主要是范德華力，因此材料較軟，易于機(jī)械加工。熱處理時(shí)，在800°C發(fā)生脫羥基反響，在1100°C時(shí)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生白硅石〔SiO2〕和鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2)的雙相構(gòu)造2%。鋁紅柱石在自然界格外罕見(jiàn)，主要礦藏覺(jué)察于英國(guó)Mull島，故稱為Mullite。其熱脹系數(shù)Al2O31000°C以上的溫度。工程上應(yīng)用的鋁紅柱Al2O3SiO21600°C下燒結(jié)，但強(qiáng)度與韌性都不高。承受技術(shù)合成的一代鋁紅柱石，具備了高強(qiáng)度和高韌性，強(qiáng)度到達(dá)500MPa，斷裂韌性可到達(dá)2-4MPa·m1/2。鋁紅柱石的傳統(tǒng)用途是熔爐中的耐火材料。工程化的鋁紅柱石5－5氧化物陶瓷的性質(zhì)熔點(diǎn)/C2015183021351470--熱脹系數(shù)/〔10-6/K〕8.34.5-5.37.6-8.81.4-2.69導(dǎo)熱系數(shù)/(W/cm·K)0.270.0590.15--0.035楊氏模量/GPa366150-270240-260139-150260撓曲強(qiáng)度/MPa550500110-245120-2452400性質(zhì)氧化鋁鋁紅柱石性質(zhì)氧化鋁鋁紅柱石尖晶石堇青石化學(xué)成分Al2O33Al2O3·2SiO2MgO·Al2O32MgO·2AlO2 3·5SiO2氧化鋁/氧化鋯20.0wt%Al2O375.7wt%ZrO24.2wt%Y2O3一般意義上的碳化物可以分為三類(lèi)：〔1〕離子碳化物，即碳與I，II，III族金屬或鑭系金屬形成的化合物；〔2〕共價(jià)碳化物，只包括兩種：碳化硅〔SiC〕與碳化硼(B4C)；(3)間隙碳IVVIII族的鐵、鈷、鎳等。從工程的角度看，離子碳化物可以不必考慮。由于它們?cè)诳諝庵袠O不穩(wěn)定，還簡(jiǎn)潔與潮分作用分解為烴類(lèi)。間隙碳化物雖然數(shù)量眾多，但目前有工程5－6。碳化硼在工業(yè)上碳化硼不單獨(dú)使用，而是以與石墨的復(fù)合材料的形式使用。碳化硼是通過(guò)氧化硼與碳在熔爐中作用生成。這種共價(jià)的陶瓷很難制成100%密度的制品，所以常用石墨粉與碳化硼混合使用，形成兩者的復(fù)合材料。石墨的參加降低了碳化硼的使用性能，但目前還找不到更好的助劑。工業(yè)上的碳化硼制品一般用熱壓法成型，少數(shù)制品先進(jìn)展燒結(jié)，再進(jìn)展均勻熱壓。熱壓條件為2100°C，35MPa，30min。典型的燒結(jié)條件為2200-2250°C，30min，壓力只需10MPa左右。燒結(jié)后的均勻熱壓條件為2000°C，20MPa和120min。熱壓只能加工簡(jiǎn)潔外形的制品，如管、板、軸向?qū)ΨQ的噴管等。簡(jiǎn)單外形的制品必需先經(jīng)過(guò)燒結(jié)。碳化硼能5B10原子吸取中子后的蛻變并不放出高能射線：5B10+0n1?3Li7+2He4故其主要用途是中子吸取劑和屏蔽材料。碳化硅碳化硅有上百種構(gòu)造，最簡(jiǎn)潔的一種具有金剛石構(gòu)造，每隔一個(gè)碳原子被硅取代一個(gè)。這種立方構(gòu)造被稱為b體，其它的六方和菱形構(gòu)造合稱為a體。碳化硅粉末用Acheson法生產(chǎn)。SiO22200°CSiO2作用生成SiC與CO。依據(jù)反響時(shí)間與溫度的不同，復(fù)原產(chǎn)物可能是細(xì)粉末，也可能是團(tuán)塊。結(jié)團(tuán)的產(chǎn)物則必需粉碎后使用，較細(xì)的級(jí)分可以用來(lái)燒結(jié)，較粗的級(jí)分直接用作磨料?！?〕將碳化硅粉末與純碳粉或純硅粉混合，制成型坯。讓碳與硅蒸汽反響形成碳化硅，形成的碳化硅會(huì)將原有的碳化硅融合起來(lái)，這一過(guò)程稱為自融合。假設(shè)讓硅粉與氮?dú)庾饔蒙傻?，也可將這種方法可得到高密度的制品。以上三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其次相融合法多用于燒蝕與耐火材料。其次材料的性質(zhì)限制了材料的應(yīng)用。自融合碳化硅中常含有殘留的硅粉，在溫度高于1400°C會(huì)避開(kāi)硅的殘留。自融合碳化硅比燒結(jié)產(chǎn)物抗氧化力量強(qiáng)。燒結(jié)碳化硅只能在非氧化場(chǎng)合使用。由于產(chǎn)物中含硼與游離碳，抗氧化力量較差。碳化硅的膜、涂層與滲透加工產(chǎn)物不是用碳化硅粉末制造的，而是用化學(xué)氣相沉積〔CVD〕或化學(xué)氣相滲透〔CVI〕法制造的。5－6碳化物的性能碳化物密度/熔點(diǎn)/韌性/模量/拉伸強(qiáng)度/導(dǎo)熱系數(shù)/硬度/Mg/m3°C〔MPa·m1/2〕GPaMPaW/m·Kkg/mm2B4C2.512450445155282900-3100SiC3.129723.041030083.62800TiC4.9430172500ZrC6.563532WC15.728002050-2150TaC14.538001750氮化物與金屬相比，氮化物陶瓷的主要優(yōu)勢(shì)是耐高溫性能，在1000°C以上仍能保持高強(qiáng)度；以及抗氧化與抗腐蝕性能。氮化物家族中最主要的成員是氮化硅。氮化硅的粉末通過(guò)硅粉與氮?dú)庠?250-1400°C的Al2O3·TiC的兩倍，熱脹系數(shù)卻只有Al2O3的一半，是制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的有力競(jìng)爭(zhēng)材料。使用氮化硅的主要問(wèn)題是燒結(jié)比較困難。純氮化硅在高溫下不能發(fā)生有效的體積集中，即粒子之間很難相互粘合在一起。欲得到密實(shí)的氮化硅材料，必需使用燒結(jié)助劑。氮化硅的性能，尤其是高溫Al2O3〔AlN〕與二氧化硅。氮化硅材料根本上都是氮化硅與其它材料的合金，而不用純粹的氮化硅。氮化硅材料可以用很多不同的方法加工，依據(jù)加工方法的不同分為以下幾類(lèi)：反響融合氮化硅、熱壓氮化硅、燒結(jié)〔無(wú)壓〕氮化硅、燒結(jié)反響融合氮化硅、均勻熱壓氮化硅等。不同加工方法的氮化硅性5－7。5－7不同方法加工的氮化硅的性能反響融合熱壓無(wú)壓燒結(jié)反響燒結(jié)均勻熱壓楊氏模量/GPa120-250310-330260-320280-300310-330撓曲強(qiáng)度/MPa150-350450-1000600-1200500-800600-1200斷裂韌性/(MPa·m1/2〕1.5-2.84.2-7.05.0-8.55.0-5.54.2-7.0相對(duì)密度/%77-8899-10095-9993-9999-100熱脹系數(shù)/〔10-6/K〕3.03.2-3.32.8-3.53.0-3.53.0-3.5導(dǎo)熱系數(shù)W/m·K1.4-35-104-5--22由于在氮化硅的燒結(jié)過(guò)程中要參加Al2O3、AlN或SiO2等助劑，鋁原子可能取代局部硅原子的位置，氧原子可能取代局部氮原子的位置，這樣的結(jié)合體就形成了一類(lèi)特別的陶瓷—硅鋁氧氮陶瓷。這種陶瓷具有Si6-zAlzOzN8-z的通式，晶格與b-Si6N8相像。這種氮化物的燒結(jié)要簡(jiǎn)潔得多，但燒結(jié)過(guò)程中會(huì)有局部玻璃相形成。玻璃相限制了高溫下的使用，但在較低溫度下的優(yōu)異性能仍使此類(lèi)陶瓷有廣泛的應(yīng)用。氧氮化硅從氮化硅和二氧化硅的混合物中合成。在Al2O3存在的狀況下，具有肯定的固體溶解性?？梢杂脽o(wú)壓或壓力燒結(jié)加工。氧氮化硅的性能略低于氮化硅，但由于其楊氏模量較低，熱脹系數(shù)較高，在熱機(jī)械方面有應(yīng)用的潛力。氮化鋁具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在微電子工業(yè)中用作絕緣基板。用氮化鋁粉末與密化助劑和Y2O3作燒結(jié)助劑時(shí)，會(huì)有釔鋁化合物在顆粒邊界形成。氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)隨Y2O3的含量快速增加。這是由于當(dāng)Y2O3含量很低時(shí)〔<0.8wt%〕，釔鋁化合物會(huì)在氮化鋁顆粒外形成一層連續(xù)的外殼，阻擋了氮化鋁〔導(dǎo)熱系數(shù)50-90W/m·K〔可達(dá)m化鋁顆粒之間能夠直接接觸。釔含量到達(dá)4.2wt%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)160W/m·K。氮化鋁800°C以上發(fā)生氧化，所以不能作為構(gòu)造材料使用。〔六方〕，一種類(lèi)似于金剛石〔立方〕。六方氮化硼較軟，具有片層構(gòu)造，可以熱壓成型。材料具有各向異性，由于層片垂直于壓力方向取向，不同方向上的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)電率大不一樣?？梢杂没瘜W(xué)沉積法制類(lèi)似人造金剛石的制法?？捎米髂チ匣蚯邢鞯毒?。碳化硅晶須的存在，阻礙了氮化硅基體的收縮，使無(wú)壓燒結(jié)更為困難。因此，氮化硅復(fù)合材料只能用熱壓法才能得到致密的產(chǎn)品。在從燒結(jié)溫度冷卻時(shí)，由于基體與晶須的熱脹系數(shù)不匹配，材料內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。碳化硅為4.4×10-6/K，而氮化硅為3.2×10-6/K。這樣，纖維會(huì)處于張力狀態(tài)而基體處于壓縮狀態(tài)。因此使基體開(kāi)裂的應(yīng)力就應(yīng)更高。在徑向上，晶須會(huì)收縮而減弱與基體的結(jié)合，這樣會(huì)使裂縫偏移并會(huì)使晶須簡(jiǎn)潔拔出，也造成增韌。雖然碳化硅晶須的參加使強(qiáng)度略有降低，但有顯著的增韌作用，報(bào)道的最高斷裂韌性為10MPa·m1/2。上述5－8。5－8氮化物陶瓷的性能2.903.202.272.273.483.0-3.74.34.4-5.72-61-2--/15-228-1050-1702033--硅鋁氧氮量300度硅鋁氧氮量300度750-950氧氮化硅〔Si2N2O〕275-280氮化鋁〔AlN〕260-350六方氮化硼(平行于晶片)100六方氮化硼(垂直于晶片)20立方氮化硼楊氏模/GPa撓曲強(qiáng)/MPa150450-480235-370低低高理論密度/%熱脹系數(shù)/(10-6/K〕〔W/m·K〕多為碳化物，如碳化鈦、碳化鎢等?；w是一種金屬或幾種金屬的混合物，如鎳、鈷、鉻、著名的成員是鈷粘合的碳化鎢。5-16金屬陶瓷的制備過(guò)程碳化鎢/鈷的起點(diǎn)原料是鎢的粉末，通過(guò)碳化將鎢粉轉(zhuǎn)化為碳化鎢。然后將碳化鎢粉末與鈷一起球磨，一方面減小碳化鎢的粒度，一方面將鈷涂到陶瓷外表。涂飾好的粉末按粒度分把陶瓷粒子徹底“焊”5-16是金屬陶瓷的一般制備流程。件。假設(shè)單純使用陶瓷，由于其脆性，不能用作切削工具、模具或振動(dòng)猛烈的機(jī)器部件。而金屬陶瓷有以下共同的特點(diǎn)：模量比鋼高〔413-620GPa〕。密度高于鋼。壓縮強(qiáng)度高于大多數(shù)工程材料。硬度高于任何鋼與其它合金。拉伸強(qiáng)度與合金鋼相當(dāng)〔1380MPa〕。5-9各種規(guī)格的金屬陶瓷代碼等級(jí)WCTiCTaCCo(RA)(MPa)C-1粗加工94--6912000C-2e92-26921550C-3細(xì)加工92-44921520C-4精加工96-4931400C-5粗加工758710911870C-6通用加工79849921650鋼與工具鋼C-7細(xì)加工7012126921750C-8精加工771535931180C-9無(wú)振動(dòng)94--6921520耐磨件C-10輕振動(dòng)92--8912000C-11強(qiáng)振動(dòng)85--15892200C-12輕度88--12882500抗沖擊件C-13中度80--20862600C-14重度75--15852750用途成分硬度側(cè)向斷裂強(qiáng)度料目前市場(chǎng)上已有多種規(guī)格的金屬陶瓷，其碳化物的種類(lèi)、含量、粒度不同，金屬粘合劑的種5-9列出了各種規(guī)格的成分、性能與用途。由于碳化鉭比碳化鎢還硬，含碳化鉭的金屬陶瓷更為耐磨。金屬含量越低，陶瓷粒度越細(xì)〔<1mm〕，耐磨性能越好。全部金屬陶瓷都具有室內(nèi)耐腐蝕性，含有鎳和鉻的金屬陶瓷可耐化學(xué)環(huán)境的腐蝕。表中側(cè)向斷裂強(qiáng)度一項(xiàng)為哪一項(xiàng)機(jī)械強(qiáng)度的度量，該項(xiàng)強(qiáng)度越高，沖擊強(qiáng)度越高。但作為陶瓷，抗沖擊性能到底是有限的，比任何金屬都要低。作為最堅(jiān)硬的材料之一，金屬陶瓷的加工性能很差，不能車(chē)，不能鋸，甚至不能鉆孔，只能進(jìn)展電火花加工。假設(shè)同一個(gè)部件需要兩件以上，最經(jīng)濟(jì)的方法就是加工一個(gè)燒結(jié)模具。把加工的問(wèn)題放到燒結(jié)以前解決。限制金屬陶瓷應(yīng)用的最大障礙是價(jià)格問(wèn)題。1996用途成分硬度側(cè)向斷裂強(qiáng)度料50倍，這個(gè)價(jià)格就應(yīng)當(dāng)不成為問(wèn)題了。陶瓷的增韌目前陶瓷材料的增韌主要通過(guò)三個(gè)途徑：〔1〕復(fù)合，〔2〕預(yù)應(yīng)力法，〔3〕相轉(zhuǎn)變法。陶瓷基復(fù)合材料陶瓷復(fù)合材料近年來(lái)大量涌現(xiàn)，玻璃、玻璃陶瓷、氧化鋁、鋁紅金石、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等常用材料都被用作基體，碳化硅晶須、碳化硅纖維、各種碳纖維等被用作增加體。加-應(yīng)變性能都得到提高。最好的結(jié)果來(lái)自不同增加機(jī)理的結(jié)合。例如在鋁紅金石中同時(shí)參加氧化鋯與碳化硅晶須，可獲得13.5MPa·m1/2的斷裂韌性。最高的斷裂韌性來(lái)自纖維增加的玻璃、玻璃陶瓷與碳化硅纖維增加30MPa·m1/21000MPa的撓曲強(qiáng)度。纖維拔出等等。在很多狀況下是多種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，增韌是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果。相轉(zhuǎn)變。偏移機(jī)理源于在基體/分散相界面上圍繞分散相粒子的應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)也是由于模量或熱脹系數(shù)不匹配而引起的，也會(huì)造成局部的張應(yīng)力與壓縮應(yīng)力。裂縫增長(zhǎng)時(shí)，必定選擇局部的張應(yīng)力區(qū)域而不會(huì)進(jìn)入局部壓縮應(yīng)力區(qū)域，故會(huì)偏移增長(zhǎng)方向，造成增韌[圖5-17(a)]，假設(shè)分散相的斷裂韌性大于基體，則分散相粒子可以阻礙裂縫增長(zhǎng)，裂縫不能從分散相中間通過(guò)，使其增長(zhǎng)的路線呈弓形，這一機(jī)理稱為裂縫彎弓。[5-17(b)]?！凹軜颉?，阻擋裂縫的增長(zhǎng)[5-17(c)]。晶須增加可能涉及三種機(jī)理：“架橋”作用，裂縫偏移與脫粘、拔出作用[5-17(d)]。晶片增韌的機(jī)理與晶須根本差不多[圖5-17(e)]。影響二者增韌最重要的因素是增韌體的取向、長(zhǎng)徑比以及界面性質(zhì)。假設(shè)晶片是無(wú)規(guī)分布的，則裂縫偏移成為主要增韌機(jī)理。5－17陶瓷的各種增韌機(jī)理5-18增加體幾何外形對(duì)韌性的影響何外形。增韌體的外形偏離球形越遠(yuǎn)，增韌效果越好。從圖5-18可以看出，盤(pán)狀粒子的效果優(yōu)于球狀，而棒狀又優(yōu)于盤(pán)狀粒子。最高的增韌效果來(lái)自連續(xù)纖維。連續(xù)纖維的增韌主要源于裂縫尾部纖維的拔出〔5-19〕，而纖維的拔出又猛烈依靠于界面的滑動(dòng)阻力與纖維的性質(zhì)。以上機(jī)理告知我們，纖維與陶瓷基體的結(jié)合不宜過(guò)強(qiáng)，固然也不宜過(guò)弱。結(jié)合強(qiáng)度恰到5-20比較了不同界面強(qiáng)度復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。5-19纖維增加機(jī)理5-20不同纖維/基體界面結(jié)合力的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線纖維增加對(duì)提高應(yīng)力-應(yīng)變性能效果最好，但加工工藝最簡(jiǎn)單，本錢(qián)最高。而最大的問(wèn)題還是纖維本身的熱穩(wěn)定性。用途最廣的碳化硅纖維在1100°C就會(huì)失去強(qiáng)度，只有碳纖維能夠在很高溫度下保持強(qiáng)度，但還必需在無(wú)氧條件下。纖維還必需避開(kāi)受到化學(xué)侵蝕或機(jī)械損傷，必需有肯定的外表處理以有利于與基體的脫粘和拔出。為滿足上述要求，就必需避開(kāi)使-凝膠法、液相滲透法、定向金屬氧化法等。承受化學(xué)加工方法仍會(huì)使制品中留下一些孔隙，但少量孔隙不影響復(fù)合材料的高韌性。在晶須增加方面，最大的問(wèn)題來(lái)自細(xì)晶須〔f=0.1-2m〕的致癌作用，德國(guó)因此停頓了細(xì)晶須的爭(zhēng)論。但晶須并不是越細(xì)越好，不同晶須有不同的最正確長(zhǎng)徑比。需要爭(zhēng)論的問(wèn)題還包括晶須在基體中的分散、燒結(jié)時(shí)晶須的穩(wěn)定性及強(qiáng)度等?，F(xiàn)在也廣泛承受化學(xué)方法來(lái)代替機(jī)械方法改進(jìn)晶須的分散。維增加的問(wèn)題是如何能參加足夠量的纖維并造成良好分散，同時(shí)還不能留下人為的裂縫。假設(shè)確實(shí)能使短纖維垂直于裂縫方向取向，也能取得良好的增韌效果。但同連續(xù)長(zhǎng)纖維一樣，短纖維也有熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性的問(wèn)題。延展性金屬可以大幅度提高陶瓷的韌性。例如，氧化鋁的韌性因參加金屬鎳〔13vol%〕而提高了一倍。這說(shuō)明金屬的塑性形變的增韌機(jī)理。定向金屬氧化、金屬反響融合等加工技術(shù)都應(yīng)是值得重視的增韌方法。技術(shù)，我們已經(jīng)能夠按要求對(duì)陶瓷性質(zhì)進(jìn)展剪裁。增加除了對(duì)韌性、強(qiáng)度、抗破壞力量有所改善外，還在機(jī)械性能的多分散性與高溫力學(xué)性能兩方面有重大改進(jìn)。預(yù)應(yīng)力法到擠壓，使材料具有了壓縮應(yīng)力。假設(shè)將材料加熱到發(fā)生粘性流淌的溫度，再快速冷卻。材料外表冷卻得快，中心冷卻得慢。就在外表上形成了一層硬殼。這層硬殼的熱脹系數(shù)與內(nèi)部先使纖維處于拉伸狀態(tài)。在纖維上包復(fù)基體材料，并使之固化。完全固化后再撤消纖維上的拉力，纖維要恢復(fù)原先的彈性形變，材料就受到一個(gè)壓縮應(yīng)力。利用基體與纖維之間熱脹系要想將此材料拉伸，首先必需抑制基體內(nèi)的壓縮應(yīng)力，從而起到了增韌的作用。氧化鋯體系化鋯及氧化鋯與氧化鋁的混合物。1170°C1170~2370°C為四方晶系，從2370°C1170°C的體積膨脹，膨脹率約有3-5%〔5－21〕〔CaO〕、氧化〔MgO〕或氧化釔(Y2O3)晶形轉(zhuǎn)變完全被限制住的氧化鋯稱為穩(wěn)定氧化鋯。假設(shè)參加穩(wěn)定劑的量低于將氧化鋯完全穩(wěn)定所需的量，就會(huì)形成四方或單斜的晶粒〔取決于加工條件〕分散在立方晶體基體中的氧化鋯多相體系。這種氧化鋯中只有基體局部被穩(wěn)定化，稱為局部穩(wěn)定氧化鋯，或半穩(wěn)定氧〔PSZ6MPa·m1/15MPa·m1/。經(jīng)爭(zhēng)論覺(jué)察，正是分散在基體中微小的四方晶粒的相轉(zhuǎn)變起到了增韌作用。假設(shè)將微小的氧化鋯粒子分散到其它基體如氧化鋁中，也同樣可以覺(jué)察顯著的增韌作用。這一性質(zhì)使氧化鋯受到空前未有的重視，引起廣泛的爭(zhēng)論，并對(duì)氧化鋯的增韌作用提出了三種機(jī)理。5-21氧化鋯相轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化微裂紋化機(jī)理-單斜的晶形轉(zhuǎn)變，并伴隨3-5%的體積膨脹。由于只是小晶粒的體積膨脹，不會(huì)使整個(gè)材料開(kāi)裂，只會(huì)在晶粒四周引發(fā)一些微裂紋。由于這些微裂紋的存在，轉(zhuǎn)變了晶粒四周的應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)外部裂縫擴(kuò)展經(jīng)過(guò)這一晶粒時(shí)，就會(huì)發(fā)生裂縫偏移作用〔陶瓷增韌局部〕，提高了斷裂韌性。氧化鋯的粒度不能太小，太小則不能發(fā)生相轉(zhuǎn)變；也不能太大，太大則會(huì)引發(fā)可增長(zhǎng)的大裂縫。5－22是氧化鋯體積分?jǐn)?shù)與斷裂韌性的關(guān)系。可以看出斷裂韌性呈一最大值。假設(shè)參加量過(guò)多，所引發(fā)的微裂紋就會(huì)迭加為較大的裂縫。應(yīng)力引發(fā)相轉(zhuǎn)變機(jī)理氧化鋯冷卻通過(guò)轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)發(fā)生四方-單斜的相轉(zhuǎn)變。但假設(shè)氧化鋯晶粒很細(xì)，且被縮應(yīng)力，才能連續(xù)擴(kuò)展。這樣就對(duì)材料進(jìn)展了增韌。5－22氧化鋯體積分?jǐn)?shù)與力學(xué)性能的關(guān)系外表層壓縮機(jī)理這一機(jī)理同上一個(gè)類(lèi)似，也是四方-單斜相轉(zhuǎn)變的體積膨脹造成了壓縮應(yīng)力。但區(qū)分在于著眼點(diǎn)是在材料的外表層。外表層中基體對(duì)氧化鋯晶粒的壓迫不如體相中那樣強(qiáng)，于是外表四周的氧化鋯簡(jiǎn)潔發(fā)生相轉(zhuǎn)變。外表打磨更簡(jiǎn)潔引發(fā)外表四周氧化鋯的相轉(zhuǎn)變。外表層的相10-100μm深度的外表層受到壓縮應(yīng)力。壓縮應(yīng)力的深度取決于打磨的強(qiáng)度。假設(shè)壓縮應(yīng)力深度大于可增長(zhǎng)臨界裂縫的深度，相比于制品厚度又很小，材料的增韌就到達(dá)最正確狀態(tài)。我們知道，陶瓷歷來(lái)對(duì)裂縫敏感，尤其對(duì)外表劃痕敏感。有了氧化鋯的增韌，人們第一次不再懼怕陶瓷材料外表的缺陷。在。人們利用氧化鋯這種特別的性質(zhì)，開(kāi)發(fā)出三類(lèi)基于氧化鋯的韌性陶瓷。氧化鋯增韌的陶瓷基體多為氧化鋁、鋁紅柱石〔3Al2O3·2SiO2〕、尖晶石(MgAl2O4)等。氧化鋯顆粒是四方0.5~1.2mm之間。Y2O3〔如氧化鋁〔PSZ〕粉末。為獲得最正確的強(qiáng)度與韌性，純氧化鋯的粒度應(yīng)為1~2mm，PSZ粒度應(yīng)為2~5mm。氧15%5-23是氧化鋯對(duì)幾種陶瓷的增韌效果。陶瓷基體與氧化鋯的混合不肯定要通過(guò)粉末機(jī)械混合，也可以承受溶膠-凝膠法等。但肯定要保證材料的致密性，以保證基體對(duì)氧化鋯粒子的壓迫。而同時(shí)氧化鋯必需保證肯定的粒度，既能保證必要時(shí)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，又不能使粒度過(guò)大，發(fā)生破壞性的體積膨脹。為保證氧化鋯在基體中的粒度，可以承受化學(xué)反響法，通過(guò)鋯石與氧化鋁的反響將氧化鋯引入鋁紅柱石中：2ZrSiO4+3Al2O3?2ZrO2+3Al2O3·2SiO2熱壓鋁紅柱石的強(qiáng)度為269MPa，而上述材料熱壓制品的強(qiáng)度可達(dá)400MPa揮氧化鋯的增韌作用，特地設(shè)計(jì)了一種雙重增韌的構(gòu)造。以氧化鋁為基體，同時(shí)參加四方構(gòu)造的多晶氧化鋯和單斜氧化鋯。單斜氧化鋯造成微裂紋化增韌，而亞穩(wěn)的四方晶體在裂縫擴(kuò)展過(guò)程中又會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成雙重增韌。由于氧化鋯的彈性模量小于氧化鋁基體，裂縫傾向5-24為雙重增韌陶瓷的相構(gòu)造示意圖。圖5－23氧化鋯對(duì)幾種陶瓷的增韌作用 圖5－24氧化鋯對(duì)裂縫的雙重穩(wěn)定作用半穩(wěn)定氧化鋯〔PSZ〕氧化鋯常用的穩(wěn)定劑是MgO，CaO，Y2O3，其中Y2O3是近年來(lái)最常用的。只要穩(wěn)定劑的用量低于將氧化鋯完全穩(wěn)定的水平且進(jìn)展適當(dāng)?shù)臒崽幚恚湍苄纬伤姆骄w或單斜晶體分8wt%MgOPSZ40~70nm的立方氧化鋯，含有亞微米級(jí)的四方或單斜氧化鋯顆粒。用MgOCaO穩(wěn)定的氧化鋯性質(zhì)相差不多，只是發(fā)生破壞性轉(zhuǎn)變的氧化鋯臨界粒子尺寸不同，MgO體系中是25~30nm，而CaO6~10nm。Mg-PSZ(3wt%MgO)5－10。四方多晶氧化鋯〔TZP〕主要由精細(xì)的〔<1mm〕四方氧化鋯顆粒組成，含2-3mol%的Y2O3穩(wěn)定劑。在氧化鋯的各種穩(wěn)定劑中，Y2O3的穩(wěn)定效果最好。使用Y2O3，不僅會(huì)穩(wěn)定立方與四方晶體，臨界尺寸Y2O3越好。假設(shè)全部由四方晶體組成，則增韌效果最好。于是人們制備了根本由亞穩(wěn)態(tài)的四方晶體組成的氧化鋯〔含少量立方晶體雜質(zhì)〕，即四方多晶氧化鋯〔TZP〕。TZP的主要力學(xué)性5－10。5-10兩種韌性氧化鋯陶瓷的力學(xué)性能材料材料Mg-PSZ(3wt%MgO)TZP(2mol%Y2O3)密度(g/cm3〕5.75斷裂韌性 拉伸強(qiáng)度〔MPa·m1/2〕〔MPa〕8-12 352彈性模量〔GPa〕200導(dǎo)熱系數(shù)〔W/m·K〕26.05149002002用氧化鋁增加的TZP2500MPa2mol%的Y2O320wt%的氧化鋁，通過(guò)均勻熱壓法成型。參加氧化鋁起到了兩方面的作用：一是提高了彈性模量與強(qiáng)度，但更重要的是，微小氧化鋁顆粒的存在，限制了立方相粒子的進(jìn)展，保證了陶瓷的細(xì)化。用氧化鋯/氧化鋁陶瓷制造的磨輪比純氧化鋁的壽命長(zhǎng)8性，可用于制造汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，既提高了燃燒效率，又延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。氧化鋯還具有生物相容性，用氧化鋯制造的關(guān)節(jié)已經(jīng)在兔子體內(nèi)進(jìn)展試驗(yàn)。玻璃ASTM定義玻璃為熔體冷卻后呈堅(jiān)硬無(wú)定外形態(tài)的無(wú)機(jī)物。無(wú)定外形態(tài)是玻璃與一般陶瓷最大的區(qū)分。玻璃并非天生就是無(wú)定形的。以二氧化硅為例，處于原料階段是結(jié)晶的，如圖5－25(a)所示。但熔融后，晶體不復(fù)存在[圖5-25(b)]。熔體冷卻時(shí)，假設(shè)冷卻速度極慢，還可以[圖5-25(c)]。不是全部無(wú)機(jī)物都可以形成無(wú)定形的網(wǎng)絡(luò)。玻璃中的組分可以分為三類(lèi)。第一類(lèi)是能夠獨(dú)立形成網(wǎng)絡(luò)的氧化物，如SiO2，B2O3，GeO2等，稱為形成體；其次類(lèi)是不能獨(dú)立形成網(wǎng)絡(luò)的氧化物，但能夠與形成體共同形成網(wǎng)絡(luò)，稱為中間體，如Al2O3，V2O5，SeO2等；第三類(lèi)氧化物不僅不能形成網(wǎng)絡(luò)，隨著添加量的增大還會(huì)漸漸破壞網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致體系結(jié)晶。此類(lèi)氧Na2O，K2O，CaO，MgO，BaO等。當(dāng)改性劑參加玻璃網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變體系的氧原子與硅原子之比。例如參加Na2O時(shí)，只有氧原子進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，鈉離子不構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的一局部，而是進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中的空穴[圖5-25(d)]。這就使體系中硅原子比例變低，不能形成完整的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)硅/氧原子比高于2.5時(shí)，硅玻璃就難以形成。作為改性劑，Na2O的作用是降低二氧化硅的熔點(diǎn)與粘度，使硅玻璃可以在較低溫度下加工。CaO的作用則是降低玻璃在水中的溶解度。5－25二氧化硅的分散態(tài)這樣正反兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)變稱為玻璃化轉(zhuǎn)變。與晶體的熔融不同，玻璃化轉(zhuǎn)變發(fā)生在一個(gè)較寬的溫度區(qū)，而晶體的熔融應(yīng)當(dāng)發(fā)生在一個(gè)溫度點(diǎn)。玻璃粘度的變化伴隨著體積的變化〔見(jiàn)圖5-26〕abbc點(diǎn)。溫度再上升時(shí)，將沿cd線變化。而當(dāng)無(wú)定形的熔體冷卻時(shí)，假設(shè)冷卻速度較快，就會(huì)沿dce線變化，也不會(huì)回到晶體的狀態(tài)。可以看出，在同一溫度下，晶體與非晶體的體積有很大的差異。5－26無(wú)定形玻璃與晶體的體積變化圖5－26無(wú)定形玻璃與晶體的體積變化圖5-27幾種玻璃的粘度與溫度之間的關(guān)系玻璃在高溫下加工成型。只要適當(dāng)掌握溫度，就可使玻璃處于適合加工的粘度范圍。幾種5-27。一種具體玻璃的加工過(guò)程中，要經(jīng)受從高到低的三個(gè)溫度區(qū)域：所需外形的制品〔5-29〕。圖5-28(a),(b)平板玻璃的加工方法〔c〕玻璃纖維的制造方法圖5-28(a),(b)平板玻璃的加工方法〔c〕玻璃纖維的制造方法5-29玻璃器皿的制造方法Griffith的線性斷裂理論就是依據(jù)玻璃的斷裂行為推導(dǎo)出來(lái)的。盡管可以制造玻璃的氧化物種類(lèi)繁多，但使用最多的還是SiO2，它隱藏于海灘上取之不盡的沙子之中。玻璃中的其它級(jí)分賜予它各種各樣的性能，也使它具有數(shù)百個(gè)品種。玻璃的主要品種可以歸入六大類(lèi)：鈉鈣玻璃、鉛硅玻璃、硼硅玻璃、鋁硅玻璃、石英玻璃與熔硅玻65－11中。5－11主要玻璃類(lèi)型的成分玻璃SiO2Na2OK2OCaOMgOPbOB2O3Al2O3鈉鈣72121141鉛硅637.660.30.2210.20.6硼硅80.53.80.412.92.2鋁硅571.05.512420.5石英熔硅＞96＞99少少30.4硬玻璃，這兩類(lèi)硅玻璃是最硬的玻璃。90%。最廉價(jià)的玻璃組成中只含硅、鈣和鈉的氧化物。雖有較好的化學(xué)抵抗鉛硅玻璃雖比鈉鈣玻璃略好一些，也不能耐高溫與熱沖擊。硼硅玻璃是傳統(tǒng)的耐熱玻璃，商Pyrex。鋁硅玻璃的價(jià)格是硼玻璃的三倍，耐熱沖擊性要高得多。石英玻璃中SiO2含量96%，是比較昂貴的工業(yè)玻璃，其耐熱沖擊性很驚人：可以被放置在一塊冰上，上面澆上液體金屬而不裂開(kāi)。熔硅玻璃是純度最高的玻璃，二氧化硅的含量在99%以上?？梢栽?00~1200°C間使用，并有最高的耐腐蝕性。特種玻璃是具有某種特別功能，可以滿足某一項(xiàng)要求的玻璃。特種玻璃包括調(diào)質(zhì)玻璃、光學(xué)玻璃、有色玻璃、燒結(jié)玻璃、玻璃纖維、聲敏玻璃、光敏玻璃、夾層玻璃、泡沫玻璃等。光敏玻璃還用于變色眼鏡。光強(qiáng)度增加時(shí)，銀離子變成銀原子，玻璃變暗；光線弱時(shí)，銀原子又變回到銀離子，玻璃又變亮了。大的鉀離子所取代，在冷卻時(shí)鉀離子會(huì)受到壓縮。這種化學(xué)增韌所獲得的韌性比淬火的效果要好。氣體。這種夾層玻璃既隔熱又隔音，最適合節(jié)能的要求。玻璃可以紡成纖維，玻璃纖維是制造復(fù)合材料的重要原料。用高純度玻璃制造的光學(xué)纖維，在現(xiàn)代通信工程中具有舉足輕重的地位。與鋁和銅等傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，玻璃光學(xué)纖維重量輕，體積小，本錢(qián)低。像頭發(fā)絲那樣細(xì)的光學(xué)纖維可以傳輸上千個(gè)信號(hào)，而一樣尺寸的銅或鋁只50輸材料市場(chǎng)。玻璃熔體假設(shè)緩慢冷卻，可以得到結(jié)晶產(chǎn)物，稱為玻璃陶瓷。制造玻璃陶瓷的原料包括b-堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)和b-鋰輝石(Li2O·Al2O3·4SiO2)，它們都具有格外低的熱脹系4~5倍，硬度與工具鋼相仿。這種多晶的玻璃可以抵擋極高的熱沖擊，玻璃鍋就是用玻璃陶瓷制造的。由于其晶體尺寸微小，故玻璃鍋仍是透亮的。這種微小的晶體是通過(guò)參加成核劑形成的。典型的成核劑包括五氧化二磷〔P2O5〕、氟化物、二氧化鈦〔TiO2〕、鉑、氧化鋯等。這些成核劑都不溶于玻璃熔體，當(dāng)玻璃冷卻時(shí)形5-30所示。先使熔體像一般玻璃那樣冷卻〔b-c線〕，再適當(dāng)提高溫度，保持一段時(shí)間以利于成核〔d-e-f線〕。成核完成后，再上升溫度使材料結(jié)晶〔f-g-h線〕。這樣可使結(jié)晶度超過(guò)95%，晶粒尺寸在0.1~1nm之間。玻璃陶瓷可以用一般玻璃的一切手段加工如壓制、吹制、拉制等。Macor。這種復(fù)合材料最大的特點(diǎn)是可以像金屬那樣進(jìn)展機(jī)械加工。云母是存在于自然界的礦物，有各種各樣的組成，例如鉀堿云母的成分為[H2KAi3(SiO4)3]。云母也可以人工合成。由于所用玻璃是尺寸為20nm的多晶體，遇到切削工具時(shí)只會(huì)發(fā)生局部裂開(kāi)，不會(huì)讓裂縫擴(kuò)展，所以可以便利地進(jìn)展機(jī)械加工。像金屬材料一樣，Macor有很多標(biāo)準(zhǔn)件，包括片、板、棒、帶等，用這些標(biāo)準(zhǔn)件可以加工所需的制品。Macor的典型機(jī)械性能如下：拉伸強(qiáng)度：41~55MPa彈性模量：70~83×104MPa壓縮強(qiáng)度：206~344MPa最高使用溫度：370~700°C云母具有良好的電絕緣性。但由于Macor具有獨(dú)特的機(jī)械加工性，可以在電絕緣以外的很多領(lǐng)域替代一般的陶瓷材料。5-305-30玻璃陶瓷的熱處理過(guò)程AmericanSocietyForTestingAndMaterials.AnnualBookofASTMStandardsPart17.Refractories,GlassAndOtherCeramicMaterials;CarbonAndGraphiteProducts.Philadelphia:ASTM,1991.Anderson,RichardM.“TestingAdvancedCeramics,”AdvancedMaterialsAndProcessesVol.135,No.3,1989.Behrendt,DonaldR.,andMrityunjaySingh.Melt-InfiltrationProcessforSiCCeramicsandComposites.LewisResearchCenter(LEW-15767).NASATechBriefs.August1994,p.59.BESMANNT.M.,B.W.SHELDON,R.A.LOWDEN,AndD.RSTINTON.“Vapor-PhaseFabricationAndPropertiesOfContinuous-FilamentCeramicComposites,”Science,Vol.253,September6.1991.Bonds,JamesW.,etal.“Wire-ArcSprayingofMetalontoInsulatingFoam.”RockwellInternationalCorp.forMarshallSpaceFlightCenter,NASATechBriefs,May1995,p.84.Bunnell.L.Roy.“TemperedGlassandThermalShockofCeramicMaterials,“New:Update91:OakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,Tenn.,November12-14,1991.CorningGlassWorks.AllAboutGlass.Corning,N.Y.:CGW.1968.CorningGlassWorks.PropertiesofGlassesAndGlass-Ceramic:.Corning.N.Y.:CGW,1973.Craig,DouglasF.“StructuralCeramics,“NEW:Update91:OakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,Tenn.,November12-14,1991.Cselle.Tibor.“NewDirectionsInDrilling:”ApplicationsResearch&Development,Guhring,Inc.,Brookfield.WI,ManufacturingEngineering.August1995,pp.77-80.Double.DavidD.“ChemicallyBondedCeramics;TakingTheHea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