2012材料科学前沿-高温结构陶瓷
高温结构陶瓷
3.3 氧化物共晶陶瓷的凝固组织
(a) (b)
(a) Bridgman定向凝固 定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷纵截面的微观组织 共晶陶瓷纵截面的微观组织 定向凝固 (b)Al2O3/YAG共晶陶瓷的三维微观组织图。 共晶陶瓷的三维微观组织图。 共晶陶瓷的三维微观组织图
可以看出，定向凝固 共晶陶瓷在横纵截面具有类似的微观组织， 可以看出，定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷在横纵截面具有类似的微观组织，均表现 共晶陶瓷在横纵截面具有类似的微观组织 出三维网状结构。这种结构是氧化物共晶特有的，其特点是共晶相呈均匀分布， 出三维网状结构。这种结构是氧化物共晶特有的，其特点是共晶相呈均匀分布， 无晶粒边界。网状结构再加上两相间良好的联系，直接导致材料的优异力学性能、 无晶粒边界。网状结构再加上两相间良好的联系，直接导致材料的优异力学性能、 高温稳定性和耐蚀性。 高温稳定性和耐蚀性。
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陶瓷材料不存在蠕变的第二阶段（即稳态阶段） 陶瓷材料不存在蠕变的第二阶段（即稳态阶段）是影响其蠕变寿命的重要因 素。
抗氧化性能
Si3N4、SiC和定向凝固 、 和定向凝固Al2O3/YAG共晶复合陶瓷在 共晶复合陶瓷在1700℃空气中恒温后重 和定向凝固 共晶复合陶瓷在 ℃ 量的变化图。 陶瓷在1700℃空气中保温 量的变化图。Si3N4陶瓷在 陶瓷在 ℃空气中保温10h后，发生化学反应 后 Si3N4+3O2→3SiO2 +2N2↑,引起形状崩裂 表现为不稳定 而SiC陶瓷在同 引起形状崩裂, 引起形状崩裂 表现为不稳定; 陶瓷在同 样条件下保温50h, 发生化学反应 发生化学反应2SiC+3O2→2SiO2+2CO↑, 试样崩裂，同 试样崩裂， 样条件下保温 样表现为不稳定；而定向凝固Al2O3/YAG共晶复合陶瓷，在1700℃保温 共晶复合陶瓷， 样表现为不稳定；而定向凝固 共晶复合陶瓷 ℃ 1000h之后，既无重量变化，而又无晶粒生长，表示出极其优异的抗氧化特 之后， 之后 既无重量变化，而又无晶粒生长， 性。
高温陶瓷复合材料的组织与力学性能分析
高温陶瓷复合材料的组织与力学性能分析引言：高温陶瓷复合材料是一类应用极广的材料，其独特的组织和力学性能使其在航空航天、能源、化工等领域得到广泛应用。
本文将深入探讨高温陶瓷复合材料的组织结构和力学性能，并对其在实际应用中的潜力进行分析。
一、高温陶瓷复合材料的组织结构高温陶瓷复合材料通常由陶瓷基体和纤维增强相组成。
陶瓷基体具有优异的耐高温性能和化学稳定性，常见的有SiC、Si3N4等。
而纤维增强相可以是碳纤维、SiC纤维等，其作用是增加复合材料的强度和韧性。
在高温陶瓷复合材料中，陶瓷基体和纤维增强相之间通过界面结合形成复合结构。
界面结合的好坏直接影响着复合材料的力学性能。
良好的界面结合可提高复合材料的强度和韧性，同时降低其热膨胀系数。
二、高温陶瓷复合材料的力学性能高温陶瓷复合材料具有优异的力学性能，使其成为一种理想的高温结构材料。
其主要力学性能包括强度、韧性和断裂韧性。
首先，高温陶瓷复合材料的强度较高，这是由于纤维增强相的作用。
纤维增强相通过阻止裂纹的扩展，实现了力的传递和分散，从而提高了材料的抗拉、抗压和抗弯强度。
其次，高温陶瓷复合材料的韧性较好。
这是由于纤维增强相的拉伸和陶瓷基体的压缩共同作用的结果。
纤维增强相具有较好的拉伸强度和延伸性，而陶瓷基体则具有较高的压缩强度。
两者相互配合，使复合材料具有良好的韧性。
最后，高温陶瓷复合材料的断裂韧性较高。
这是由于陶瓷基体的断裂特性使其在受到外力时能够吸收和消耗裂纹能量，从而延缓裂纹的扩展和材料的破坏。
三、高温陶瓷复合材料的应用潜力高温陶瓷复合材料的优异性能使其在航空航天、能源和化工等领域得到广泛应用。
首先，在航空航天领域，高温陶瓷复合材料被广泛应用于燃气涡轮发动机、燃烧室和导向叶片等高温部件中。
其优异的耐热性和力学性能使得发动机能够在高温和高压的工作环境下保持稳定运行。
其次，在能源领域，高温陶瓷复合材料被用作核反应堆燃料元件、热交换器和储能器等高温部件。
返回舱高温结构陶瓷的主要成分
返回舱高温结构陶瓷的主要成分一、为什么要用陶瓷？大家都知道，航天器可不是普通的汽车、火车或者飞机，航天器飞上太空，特别是返回地球的过程中，要经历极端的高温，光是想想，返回舱在大气层重返的那一瞬间，气温最高可以达到几千摄氏度，简直热得像火炉里一样！你说，这样的高温环境，如果没有材料足够强大，岂不是瞬间被烧个精光？这就好比把冰激凌放在烈火上，结果能是什么呢？啥都没了。
所以，航天器表面必须用一种超级耐高温的材料，而高温结构陶瓷就成了这道“防火墙”。
高温结构陶瓷，听起来是不是有点深奥？简单来说就是一种能在高温下保持稳定，不变形、不融化的材料。
这种材料的一个最大特点就是耐高温，能在极热环境下保命。
材料的选择绝对不能马虎！这就像做饭，做菜得有合适的锅，炖肉得有合适的炖盅一样，航天器得有合适的“锅”，才能保证顺利降落。
二、主要成分是什么？那么问题来了，这么强大的陶瓷，里面到底都有什么神奇的成分呢？高温结构陶瓷的成分大多数都是一些常见的金属和氧化物，都是自然界里非常稳定的物质，耐高温的能力也是数一数二的。
比如，氧化铝（Al₂O₃）就是其中的代表之一，大家可能会觉得，“这是什么鬼？”但其实氧化铝就是我们平时用的陶瓷碗、陶瓷盘的主要成分，虽然我们平时看到的都是白色的、光滑的陶瓷，但这东西本身超耐高温，而且硬度极强，放在返回舱外面，绝对能顶得住几千度的炙热。
还有一个大家可能没怎么听过的成分，那就是碳化硅（SiC），这个成分可不是闹着玩的，强度和硬度都超高，而且比氧化铝更耐高温，能轻松应对那些极端的热流。
碳化硅的优势在于，它在高温下不会像某些其他材料那样变软或者融化，而是能稳如老狗一样保持原来的状态。
所以它是航天器返回舱的一位重要“守护神”。
再往下讲，就是碳化硼（B₄C），这个成分听起来有点神秘吧？其实它是现在高温陶瓷中最强劲的“硬核”之一，硬度特别高，还能承受极端温度。
科学家们选择它的原因很简单，它能够有效地降低材料的热膨胀系数，这样在高速进入大气层时，材料不容易因为热膨胀而开裂或者变形。
科普小论文神奇的高温结构材料
神奇的高温结构陶瓷我们都知道，金属作为结构材料，一直被广泛使用。
但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用，并因此对工程建设和工业生产产生了很大的制约作用。
但是一种叫做高温结构陶瓷的材料的出现，弥补了金属材料的诸多弱点。
高温结构陶瓷是指能够在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。
它具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。
这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
因此，在空间科学和军事技术的许多场合，它往往是唯一可用的材料。
从高速切削刀具、高温气体交换器到汽车、坦克和飞机的发动机与燃气轮机、磁流体发电的导管、核聚变反应堆内壁、火箭和导弹的喷管喉部与端头，以及航天飞机外层的绝热瓦等，制作材料无不首推高温结构陶瓷，所以高温结构陶瓷在当今时代有着广泛的发展空间。
高温结构陶瓷主要包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大类。
其中，高温氧化物的代表应数氧化铝陶瓷（也叫人造刚玉），它是一种极有前途的高温结构材料。
它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。
利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室中使用的刚玉球磨机，用来研磨比它硬度小的材料。
用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。
除了高温氧化物，高温非氧化物在高温结构陶瓷中也占据着具足轻重的地位。
氮化硅陶瓷是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温时也能抗氧化。
而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
正是氮化硅具有如此良好的特性，氮化硅陶瓷在热机及汽车工业上已有许多重要应用，前景广阔。
而利用它的高强度、耐磨损、耐腐蚀性能，还可在热机以外的领域得到许多应用。
在机械工业上，氮化硅陶瓷可用作切削工具、滚珠轴承和密封磨环。
新型高温结构陶瓷的主要成分
新型高温结构陶瓷的主要成分一、陶瓷，这个大家伙，咱们听过很多次吧？尤其是在提到高温环境时，它可是个大明星！想象一下，如果没有它，咱们的火箭、航天器、核反应堆里的高温部分可就没法应对那么烈的火焰了，绝对不行！你可能会问，陶瓷怎么能做到这些？那得从它的成分说起，咱们今天就来聊聊这些高温陶瓷里的“核心骨干”是什么。
1.硅酸盐陶瓷。
简单来说，这就是陶瓷中的“老大哥”。
它是由硅、氧和金属元素组成的，像是硅、铝、钙之类的。
这些硅酸盐陶瓷一向以耐高温、抗氧化能力强而著名，就像是身上穿着一层“铠甲”，耐得住火焰的摧残。
你也许觉得它们很硬，不容易打破，确实，面对几百甚至上千度的高温，它们也能稳稳站住阵脚。
2.氧化铝。
这个成分也是高温陶瓷中常见的一位“大咖”。
它在很多高温结构陶瓷中都能找到。
氧化铝可不是普通的铝，它的耐高温性简直堪比钢铁，特别适合用在高温、腐蚀性环境里。
别看它名字上是“铝”，其实它在高温下表现得比一些金属还要强，像极了一个“勇士”，不畏强敌。
它除了高温表现好，抗热震性也超赞。
3.氮化硅。
说到这，你一定会觉得，这名字好像挺“高科技”的，没错，它真的是科技感十足。
氮化硅比氧化铝更耐高温，且它在高温下几乎不容易被氧化，简直像是抗打不死的小强。
它的强度高，韧性也不错，所以常常用在一些要求高的场合，比如飞机发动机、汽车发动机等地方，简直就是飞行器和发动机界的“铁哥们”。
二、高温陶瓷，大家要知道，它的成分不仅仅是这些，还有一些其他的“隐形战士”在默默贡献力量。
比如：1.复合材料。
你可不要小看这些材料，复合陶瓷中的一些成分就像超级组合拳一样，能帮助陶瓷提高各种性能。
比如加入了碳化硅、碳化钛等成分，增强了陶瓷的硬度和耐高温性能，简直是“强强联合”。
这种复合陶瓷，通常用于航空航天领域，能够应对极端的温度和压力，真的是铁打的“硬货”。
2.碳化硅。
说起碳化硅，大家可能会想到硅石和炭的结合体，嗯，它就是这么“硬核”。
它不仅耐高温，抗热震性也强，化学稳定性更是杠杠的。
高温结构陶瓷
高温结构陶瓷摘要：高温结构陶瓷（high temperature structural ceramics），用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。
具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。
高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大类。
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。
金属作为结构材料，一直被广泛使用。
但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。
高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。
这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
关键词：高温结构陶瓷膨胀系数生产与应用高温结构陶瓷的分类主要有以下几种：氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、刚玉、等。
§1.1氮化硅陶瓷1．1．1 定义与性能氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料。
他是氮和硅的唯一化合物，他有两种变体：α—Si3N4和β—Si3N4,均属六方晶系，在20～1000℃线性膨胀系数为2.75×10-6℃-1。
是很好的介电体。
具有较高的机械强度，特别是在高温下仍保持一定强度。
对酸、水蒸气和许多金属熔体（Al、Pb、Zn、等）的作用都是稳定的。
抗氧化能力较强，摩擦系数低，硬度高。
1．1．2 工艺方法它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及１２００℃的高温下进行初步氮化，使其中一部分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。
然后在１３５０℃～１４５０℃的高温炉中进行第二次氮化，反应成氮化硅。
用热压烧结法可制得达到理论密度９９％的氮化硅。
反应方程式：3Si+2N2→Si3N41．反应烧结生产Si3N4采用一级结晶硅块，在球磨中湿磨，酒精作研磨介质，磨至小于０.０７ｍｍ。
高温结构陶瓷
高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势，分析了目前研究中存在的问题及其解决办法，确定了今后的研究目标与方向。
关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用1 前言为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度，而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。
50 至60 年代，发动机热端部件材料主要是铸造高温合金，其使用温度为800~900℃,70 年代中期，定向凝固超合金开始推广，其使用温度提高到接近1000℃；进入80 年代以后，相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等，并且热障涂层技术得到了广泛的应用，使热端部件的使用温度提高到1200~1300℃，已接近这类合金熔点的80%.，虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度，但作为代价降低了热效率，增加了结构复杂性和制造难度，而对小而薄型的热端部件难以进行冷却，因而再提高的潜力极其有限[1]。
陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。
近20年来，世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视，相继制定了各自的国家发展计划，并投入了大量的人力、物力和财力，对这一新型材料寄予厚望。
如美国NASA制定的先进高温热机材料计划DOE/NASA的先进涡轮技术应用计划（ATTAP）、美国国家宇航计划（NASP）、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象，其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更高，从而提高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的，满足军事和民用热机的需要。
2 国内外应用与研究现状由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力，国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。
结构陶瓷材料的制备与应用研究
结构陶瓷材料的制备与应用研究随着科技的不断进步和人们对于新材料的需求日益增长，结构陶瓷材料作为一种重要的功能材料得到了广泛的关注和研究。
其材料特性的优越性以及在多个领域的广泛应用使得结构陶瓷材料成为了当今材料科学领域的研究热点之一。
本文将探讨结构陶瓷材料的制备方法以及其在不同领域的应用。
一、结构陶瓷材料的制备方法结构陶瓷材料的制备方法主要包括压制烧结法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法等。
其中，压制烧结法是最常见的制备方法。
压制烧结法的主要步骤包括：粉末的制备、混合、压制成型和高温烧结等。
通过控制不同的烧结参数，比如温度、时间和压力等，可以得到具有不同性能的结构陶瓷材料。
溶胶-凝胶法的制备过程相对复杂，但可以得到颗粒尺寸均匀、纯度高的材料。
电化学沉积法则是通过电化学反应在电极上形成薄层的方法，可以得到薄而均匀的结构陶瓷材料。
二、结构陶瓷材料的应用领域1. 功能陶瓷：结构陶瓷材料具有优异的物理和化学性质，因此广泛应用于功能陶瓷领域。
例如，氧化铝陶瓷常用于制作高硬度、耐磨损的陶瓷涂层；氮化硅陶瓷在高温环境下具有优异的耐腐蚀和导热性能，常用于制作高温传感器和储能设备等。
2. 光电陶瓷：光电陶瓷是一种集光学、电学和热学性能于一体的陶瓷材料，被广泛应用于激光、光纤通信和光学器件等领域。
例如，氮化硼陶瓷具有优异的抗辐射性能和高透明度，被应用于核辐射探测和光学仪器等高技术领域。
3. 生物陶瓷：生物陶瓷是一类可以与生物组织相容的材料，被广泛应用于骨科和牙科领域。
例如，羟基磷灰石陶瓷是一种与骨组织相似的陶瓷材料，可以用于制作人工骨头和牙科种植体。
4. 能源陶瓷：能源陶瓷材料具有优异的电化学性能，被广泛应用于能源领域。
例如，氧化锆陶瓷常用于固体氧化物燃料电池和电解池等能源转换装置。
结构陶瓷材料的制备与应用研究不断推动着材料科学的发展。
随着科技的进步，人们对于结构陶瓷材料的需求也不断提升。
未来，随着制备技术的不断改进和创新，结构陶瓷材料将在更多的领域得到应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
高温陶瓷材料的研究与应用
高温陶瓷材料的研究与应用近年来，随着科技的不断进步，高温陶瓷材料在各个领域中的研究与应用愈发受到重视。
高温陶瓷材料以其出色的性能，为工业、航空航天、能源等领域带来了巨大的进展和创新。
本文旨在讨论高温陶瓷材料的研究进展以及广泛的应用。
一、高温陶瓷材料的定义和特性高温陶瓷材料，是指在高温下具有稳定性和优异性能的无机非金属材料。
其独特的特性主要体现在以下几个方面：1. 高温稳定性：高温陶瓷材料在极高的温度下依然能够保持其结构和性能的稳定，且不会熔化或氧化。
2. 良好的机械性能：高温陶瓷材料具有较高的硬度、强度和韧性，能够承受高温、高压下的复杂力学环境。
3. 优异的化学稳定性：高温陶瓷材料表面不易与其他物质发生化学反应，具有良好的抗腐蚀性和氧化性能。
4. 优秀的绝缘性能：高温陶瓷材料具有良好的绝缘性能，能够有效隔绝电热传导和电磁波传导。
5. 耐磨性：高温陶瓷材料表面平整光滑，能够有效防止磨损和摩擦。
二、高温陶瓷材料的研究进展1. 材料组成与结构设计：高温陶瓷材料的性能取决于其化学成分和微观结构。
目前，研究者通过调控材料组成和结构设计，实现了高温陶瓷材料性能的提升。
例如，采用复相结构设计的陶瓷材料在高温下具有更好的稳定性和机械性能。
2. 表面涂层技术：为了提高高温陶瓷材料的热稳定性和耐腐蚀性，研究者引入了表面涂层技术。
通过在材料表面形成陶瓷涂层，不仅可以增加材料的热障效应，还可以有效防止材料与外界环境发生作用，延长材料的使用寿命。
3. 多相复合材料的研究：将不同性质的高温陶瓷材料进行组合，形成多相复合材料，可以充分发挥各材料的优点，并实现性能的优化。
例如，氧化铝与氮化硅的复合材料，在高温条件下既具有较高的导热性能，又保持了良好的机械性能。
三、高温陶瓷材料的应用1. 航空航天领域：高温陶瓷材料在航空航天领域具有广泛的应用前景。
例如，在航空发动机中，高温陶瓷材料可以承受高温高压环境，用于制造喷嘴和涡轮叶片等关键部件，提高发动机的热效率和性能。
高温结构陶瓷新型无机非金属材料
高温结构陶瓷新型无机非金属材料
高温结构陶瓷新型无机非金属材料是指具有优异高温性能和结构
稳定性的陶瓷材料。
它们具有高的熔点、高的热稳定性和化学稳定性，能够在极端高温环境下保持结构完整性和性能稳定性。
高温结构陶瓷新型无机非金属材料在许多高温应用领域具有广泛
的应用潜力，例如航空航天、能源、化工等。
它们可以用于制造高温
炉膛、温度传感器、催化剂载体、耐火材料等。
一些常见的高温结构陶瓷新型无机非金属材料包括氧化铝
（Al2O3）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、碳化硼（B4C）等。
这些
材料具有高的抗热震性、抗氧化性和耐腐蚀性，能够在高温环境下保
持稳定的结构和性能。
高温结构陶瓷新型无机非金属材料的研究和开发是材料科学领域
的一个热点研究方向。
通过改进材料的制备工艺、优化材料的微观结
构和控制材料的化学组成，可以进一步提高材料的高温性能和结构稳
定性，为高温应用领域提供更多优质材料。
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特点：
原子结合以离子键为主，存在部分共价
键；
熔点较高，一般在2000℃以上； 良好的电绝缘性能； 优异的化学稳定性和抗氧化性。
A12O3陶瓷
A12O3陶瓷主要性能
A12O3陶瓷
A12O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反应(Mg, Ca, Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用)，广泛 地用于金属熔炼坩埚、理化器皿、炉管、炉芯、 热电偶保护管。 A12O3陶瓷具有高硬度和优异的耐磨性。广泛应 用于纺织机械中的从耐磨零件；各种发动机中 还大量使用A12O3陶瓷火花塞。
伴随以下过程： 1）晶粒合并长大 2）气孔数量、形状、尺寸变化 3）材料致密，密度增加 4）可能有新生相或同素异构变化 烧结方法： 热压烧结法，热等静压烧结法、反应烧结法等
陶瓷材料分类
按组成元素分类： 氧化物陶瓷
氮化物陶瓷 碳化物陶瓷
硅化物陶瓷
硼化物陶瓷
氧化物陶瓷
钍 Th
氧化物陶瓷
陶瓷材料的晶体结构
3. MO2结构 随金属离子半径增加a -石英(SiO2)-金红石(TiO2)莹石(CaF2)结构 4. MO3结构 ReO3为代表，立方晶系，MoF3、TaF3、CoAs3、 等具有畸变结构
二、多元化合物
1. 钙钛矿结构 ABO3结构，可以看成是M2O3化合物，如CaTiO3、 BaZrO3、PbZrO3等 2. 尖晶石结构 AB2O4或A2BO4，MgCr2O4、ZnCr2O4等
陶瓷材料的体结构
3. 高温超导氧化物 Y-Ba-Cu-O、Tl-Ba-Ga-Cu-O等结构复杂 4. 硫化物 ZnS为代表，闪锌矿 5. 硅酸盐 基本结构单元为(Me)n(SiO4)4-。主要金属为 Mg、Ca、Fe、Mn等
6.其它结构
碳化物 氮化物和硼化物
陶瓷的弹性变形与弹性模量
金属材料与陶瓷材料室温的 应力-应变曲线
AlN陶瓷
应用：
用作熔融金属用坩埚、热电偶保护管、真空蒸
镀用容器、真空中蒸镀金(Au)的容器、耐热砖、 耐热夹具等，特别适用于作为2000℃左右非氧 化性电炉的炉衬材料。 AlN的导热率是Al2O3的2-3倍，可用于大规模集
成电路的基板、车辆用半导体元件的绝缘散热
基体。
碳化物陶瓷
熔点高
许多碳化物的熔点在3000℃以上。二元化合 物中最耐高温的是碳化物，其中HfC和TaC的熔 点均超过3800℃
材料科学前沿
高温结构陶瓷
High-temperature Structural ceramics
提
陶瓷材料的定义 陶瓷材料的特点 陶瓷材料的制备工艺
纲
陶瓷材料的分类及介绍 陶瓷材料的应用及发展
陶瓷材料的定义
传统陶瓷：原料是石英、长石和粘土(粘土是一种含水铝硅酸盐
产物 )等自然界存在的矿物，经除杂、淘洗、破碎及烧结等工艺
脆性大
多数高温和氮(N)作用生成氮化物
碳化物陶瓷主要包括：TiC、HfC、ZrC、
BC、SiC
碳化硅(SiC)陶瓷
SiC陶瓷主要性能
SiC陶瓷的应用
陶瓷材料与产品的设计流程
服役条件
失效分析
导致产品失效的主 要性能指标
材料、工艺设计与制备
材料性能评价与材料优化
产品使用考 核与评价
产品设计、 制造与检验
高温结构陶瓷的应用
高温结构陶瓷的应用
高温结构陶瓷的应用
高温结构陶瓷的应用
采用陶瓷的燃气机、柴油机的节能效果为10~40%
陶瓷材料的晶体结构
键合特征：离子键、共价键或混合键
陶瓷的绝大部分为晶体材料。有关空间点
阵的概念对陶瓷材料是完全适用的。
一、二元氧化物结构 1. MO结构 二价金属离子和O结合的化合物CaO、FeO，键型为 离子型 2. M2O3结构 Al2O3结构，刚玉结构，Ti2O3、Cr2O3，Fe2O3
陶瓷材料粉体的制备工艺
机械破碎法
颚式破碎机、回旋破碎机、球磨机、汽滚粉碎机、锤式破碎机
固相法
化合反应法、热分解反映法、氧化物还原法、直接固态反应法
液相法
沉淀法、醇盐加水分解法，溶胶-凝胶法、喷雾法、水热法
汽相法
蒸发凝聚法(PVD)、化学汽相反应法(CVD)
陶瓷材料粉体的制备工艺
固相反应法：两种或以上固相物质通过化学反应得 到固相物质 BaCO3+TiO2 = BaTiO3 + CO2 液相法： 几种组分在液相溶液中进行化学反应，如 果浓度达到饱和，反应生成物可以形核并沉淀 TiCl4 + BaCl + 4NH4OH + (NH4)2CO3 = TiO2·2H2O + BaCO3
应用：
与金属部件匹配，用于汽缸内壁、活塞、缸盖板、气门座和气门 导杆。 用作各种高韧性，高强度工业与医用器械。如纺织工业落筒机用 剪刀、羊毛剪、磁带生产中的剪刀。
氮化物陶瓷
氮化物陶瓷
多数熔点都比较高，特别是周期表中ⅢB, ⅣB, ⅤB, ⅥB过渡元素都能形成高熔点 氮化物。
BN, Si3N4, NbN在高温直接升华分解。
弹性模量E与熔点Tm的 关系图
常见结构陶瓷的弹性模量值
弹性模量
金刚石具有最高的弹性模量，这也表明 金刚石的结合键(共价键)是所有材料中 最强的 其次是碳化物陶瓷(以共价键为主)
再其次为氮化物陶瓷
相对较弱的为氧化物陶瓷(以离子键为 主)。
陶瓷材料的塑性
陶瓷材料的脆性大，在常温下基本不出现或极少出现塑 性变形，其主要原因在于陶瓷材料具有非常少的滑移系统。 只有个别滑移系统能满足滑移的几何条件 陶瓷材料中只有为数极少的具有简单晶体结构的材料， 如MgO, KCl, KBr等(均为NaCl型结构)在室温下具有塑性。 多晶陶瓷材料由于晶体结构复杂，在室温下没有塑性。 在工作温度（>0.5Tm,Tm为材料熔点），晶内和晶界均可 出现塑性变形现象。
一些陶瓷晶体中的滑移系统
陶瓷材料的强度
①金属键没有方向性，而离子键与共价键都具有明显的方向 性
②金属晶体的原子排列取最密排、最简单、对称性高的结构，
而陶瓷材料晶体结构复杂，对称性低 ③陶瓷中，位错极难运动，几乎不发生塑性变形。因此塑韧 性差成了陶瓷材料的致命弱点，也是影响陶瓷材料工程应 用的主要障碍。
陶瓷材料的发展趋势
复合化
利用加和及乘积效应，开发出单一材料中不存在 的新功能或优于单一材料性能的结构功能材料
多功能化 低纤维化 智能化
设计、工艺一体化
ZrO2 陶瓷
ZrO2 陶瓷的主要性能
ZrO2 陶瓷
特点：
力学性能好(相变增韧) ZrO2在1170ºC发生从单斜(m)相到四方相(t)的相变，伴随有5% 的体积膨胀，通过适当的加热冷却使t相保持到室温，t相有很高 的强度和韧性 热传导系数小，隔热效果好 热膨胀系数较大，易与金属部件匹配
陶瓷材料存在问题
2. 成本高 要求高纯、超细(粉体粒度在1mm以下)甚至纳米粉 料。制造工艺复杂，制造成本较高。
先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求，如
低成本高性能原料制备技术、低成本成型与烧结
技术是高温结构陶瓷产业化的关键技术。
陶瓷材料存在问题
3. 陶瓷强度设计与陶瓷材料的合理使用
陶瓷材料粉体的制备工艺
气相反应法：制备粉体或薄膜
CVD法 1000~1500ºC 3SiCl4 + 4NH3 ====== Si3N4 + 12HCl 陶瓷成型
挤压成型、注射成型、模压成型、注浆成型、冷静压 成型、流延成型、气相成型等
烧结 是陶瓷制品的第三阶段，主要目的是致密化
陶瓷材料的制备工艺
制成产品 ——日用器皿、建筑材料(如砖、玻璃)等。
先进陶瓷：人工合成和提炼处理过的化工原料，是固体化合物， 是加热或热压下制备而成的—— 包括：氧化物、氮化物、碳化物、膨化物、硅化物及其混合物 高温结构陶瓷、功能陶瓷(电子材料、光导纤维、敏感陶瓷材料 等)。
陶瓷材料的特点
大多化学上不是非常纯的，多数陶瓷结构复杂，
陶瓷材料存在问题
1.
脆性大、塑韧性低
陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。
加强陶瓷韧化的基础，通过新的韧化途径(例如，利用纳米晶 等)进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性； 用在十分严酷的工况条件下(如1000℃以上超高温，高温无润 滑，高温带腐蚀，强烈腐蚀磨损)，注意避免冲击碰撞和大的 拉应力。
并伴随有结构变形
制备方法多（固液气方法、复合，掺杂等）
材料的物理性能与化学组成、晶体结构和微结
构、制备方法等密切相关，物理性质多样
高温结构陶瓷优点
在1000℃以上，较高温合金具有密度低、 比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀 性能。
高温使用环境条件下，不需要冷却系统， 发动机的燃烧消耗减少17%~40%。 适用多种燃料，节省能源、金属资源。
Si3N4陶瓷
热膨胀系数小，具有较好的抗热震性能；
在陶瓷材料中， Si3N4的弯曲强度、硬度高， 具有自润滑性，摩擦系数小(只有0.1)； 化学稳定性好，耐酸(氢氟酸除外) 和碱液腐 蚀；
高温氧化时表面形成的氧化硅膜可以阻碍进一 步氧化，抗氧化温度为1400℃。