1、先進陶瓷材料 中國海洋大學材料科學與工程研究院 第五講第五講 結構陶瓷材料結構陶瓷材料( (iv)iv) 典型結構陶瓷材料典型結構陶瓷材料 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 n氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 n氧化鋯增韌陶瓷氧化鋯增韌陶瓷 n莫來石陶瓷莫來石陶瓷 n鋯英石陶瓷鋯英石陶瓷 n鈦酸鋁陶瓷鈦酸鋁陶瓷 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石陶瓷莫來石陶瓷 莫來石陶瓷概述莫來石陶瓷概述 發展歷程：發展歷程： 首報：首報：1924年，年，bowen等等 發現了發現了al2o3-sio2系統中的莫來石相系統中的莫來石相 研究工作的三個階段：研究工作的三個階段： 1970年以前：

2、莫來石晶相的結構與表征年以前：莫來石晶相的結構與表征 1970-1990年：莫來石陶瓷的性能，年：莫來石陶瓷的性能， 在力學、光學、電子學等方面可能的應用在力學、光學、電子學等方面可能的應用 1990年以來：莫來石陶瓷的燒結、顯微結構、力學年以來：莫來石陶瓷的燒結、顯微結構、力學 性能及其粉體合成、晶須制備、高純陶瓷制備等性能及其粉體合成、晶須制備、高純陶瓷制備等 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石的晶體結構及相關系莫來石的晶體結構及相關系 莫來石的晶體結構莫來石的晶體結構 莫來石斜方晶系莫來石斜方晶系 平行于平行于c軸的鋁氧八面體鏈和鋁硅氧四面體鏈分軸的鋁氧八面體鏈和鋁硅氧四面體鏈分 別以

3、共棱和共頂方式連接成硅酸鹽雙鏈網絡結構別以共棱和共頂方式連接成硅酸鹽雙鏈網絡結構 雙鏈間由六配位鋁離子相連接雙鏈間由六配位鋁離子相連接 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石是一種簡單的固溶體莫來石是一種簡單的固溶體 有兩種穩定的組成：有兩種穩定的組成： 燒結莫來石：燒結莫來石：3al2o3.2sio2 熔融莫來石：熔融莫來石： 2al2o3.sio2 晶體結構晶體結構 與制備工藝有關與制備工藝有關 晶格常數晶格常數 隨氧化鋁含量變化隨氧化鋁含量變化 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石的相平衡莫來石的相平衡 al2o3-sio2系統是陶瓷中最重要的二元系統系統是陶瓷中最重要的二元系統 目前還有

4、兩個主要分歧：目前還有兩個主要分歧： 1）莫來石的熔融問題；）莫來石的熔融問題； 2）莫來石的固溶范圍（大小、形狀和位置）莫來石的固溶范圍（大小、形狀和位置） 兩個研究結果對比：兩個研究結果對比： 轉熔點不同；轉熔點不同； 轉熔溫度不同；轉熔溫度不同； 固溶區不同。固溶區不同。 分歧的原因：實驗條件不同分歧的原因：實驗條件不同實驗結果不同實驗結果不同 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石陶瓷的物理化學性質莫來石陶瓷的物理化學性質 性性 質質典型值典型值 理論密度理論密度3.17 硬度硬度7.5 蠕變速率（蠕變速率（8.27mpa、1100oc / m.h-1)9.810-9 膨脹系數（膨脹系數

5、（251000oc ）4.2 膨脹系數（膨脹系數（251500oc ）5.6 熱導率熱導率5.45 抗彎強度（抗彎強度（5.0氣孔率）氣孔率）117 抗彎強度（抗彎強度（2.0氣孔率）氣孔率）132 抗彎強度（抗彎強度（0氣孔率）氣孔率）250500 斷裂韌性斷裂韌性23 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 突出優點：突出優點： 線膨脹系數低線膨脹系數低良好的抗熱震性良好的抗熱震性 蠕變速率低蠕變速率低高溫變形小高溫變形小 熱導率低熱導率低良好的隔熱性能良好的隔熱性能 高純莫來石高純莫來石 抗彎強度抗彎強度維持到維持到1500oc無明顯降低無明顯降低 高溫環境下，優良的中紅外透過性高溫環境下，優良的

6、中紅外透過性 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 獨特的力學性能獨特的力學性能 強度保持到高溫強度保持到高溫 與雜質含量有關與雜質含量有關 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 富硅的莫來石陶瓷富硅的莫來石陶瓷 高溫力學性能明顯優于室溫高溫力學性能明顯優于室溫 原因：原因：1）高溫下黏滯狀態玻璃相鈍化裂紋）高溫下黏滯狀態玻璃相鈍化裂紋 2）柱狀莫來石晶粒拔出、吸收能量）柱狀莫來石晶粒拔出、吸收能量 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石陶瓷的粉體合成與燒結莫來石陶瓷的粉體合成與燒結 莫來石粉體的合成莫來石粉體的合成 工業合成法：工業合成法： 含鋁和硅的礦物（高嶺石、硅線石）經高溫分含鋁和硅的礦物（高嶺石、硅線

7、石）經高溫分 解形成，解形成， 2232 1200 232 423)2( 3siosiooalsiooal c 2232 1200 232 23)( 3siosiooalsiooal c 一次莫來石一次莫來石 制備過程中往往加入氧化鋁制備過程中往往加入氧化鋁 232 1200 232 2323siooalsiooal c 二次莫來石二次莫來石 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 化學合成化學合成 1）化學沉淀法）化學沉淀法 2）溶膠凝膠法）溶膠凝膠法 3）包裹法）包裹法 莫來石陶瓷的燒結和顯微結構莫來石陶瓷的燒結和顯微結構 莫來石復合氧化物擴散系數低莫來石復合氧化物擴散系數低 一般條件下，很難致密化

8、一般條件下，很難致密化 熱壓燒結溫度：熱壓燒結溫度：1500oc 無壓燒結溫度：無壓燒結溫度：1650oc 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 降低燒結溫度：降低燒結溫度： 合成高活性莫來石粉體合成高活性莫來石粉體 引入添加劑引入添加劑 液相燒結液相燒結 引入引入1 - 2wt%的的y2o3、mgo或或cao 降低燒結溫度，抑制晶粒長大降低燒結溫度，抑制晶粒長大 引入引入10 20 vol氧化鋯，氧化鋯， 明顯促進燒結，且氧化鋯晶粒位于晶界上，明顯促進燒結，且氧化鋯晶粒位于晶界上， 有效阻止晶界遷移，細化莫來石陶瓷的顯微結有效阻止晶界遷移，細化莫來石陶瓷的顯微結 構構提高力學性能提高力學性能 氧化物

9、陶瓷材料氧化物陶瓷材料 原始粉體對莫來石陶瓷燒結的影響原始粉體對莫來石陶瓷燒結的影響 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石陶瓷的強韌化莫來石陶瓷的強韌化 抗彎強度：抗彎強度：200400mpa 斷裂韌性：斷裂韌性：2.2mpa.m1/2 線膨脹系數：線膨脹系數：451010 6 6/ / 突出優點：高溫強度衰減小突出優點：高溫強度衰減小 高的抗蠕變高的抗蠕變 19871987年，日本東京年，日本東京 19901990年，美國西雅圖年，美國西雅圖 組成、結構、制備等方面的研究組成、結構、制備等方面的研究 增強、增韌增強、增韌主要的研究方向之一主要的研究方向之一 廣泛關注廣泛關注 莫來石陶瓷國莫來

10、石陶瓷國 際學術研討會際學術研討會 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 高強、高模量第二相復合補強高強、高模量第二相復合補強 莫來石陶瓷強韌化的有效方法莫來石陶瓷強韌化的有效方法 纖維補強莫來石基復合材料纖維補強莫來石基復合材料 主要纖維：莫來石纖維、碳纖維、主要纖維：莫來石纖維、碳纖維、 碳化硅纖維、氧化鋁纖維等碳化硅纖維、氧化鋁纖維等 機理：機理： 纖維和基體化學結合，纖維和基體化學結合， 斷裂時，纖維從基體斷裂時，纖維從基體 拔出和橋聯，阻止裂拔出和橋聯，阻止裂 紋擴展，吸收斷裂能。紋擴展，吸收斷裂能。 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石纖維莫來石纖維/莫來石復合材料莫來石復合材料 勃姆石（

11、勃姆石（alooh）凝膠和）凝膠和sio2溶膠為原料，按溶膠為原料，按 莫來石化學計量比制備凝膠，干燥后得基體復合莫來石化學計量比制備凝膠，干燥后得基體復合 粉末粉末制備成漿料制備成漿料 莫來石纖維，表面涂覆莫來石纖維，表面涂覆bn或或bn/sic，采用浸漬，采用浸漬 法浸漿，干燥、切割疊層、真空熱壓。法浸漿，干燥、切割疊層、真空熱壓。 所得材料性能所得材料性能 復合材料復合材料相對密度相對密度抗彎強度抗彎強度斷裂韌性斷裂韌性纖維體積纖維體積 nb/莫來石莫來石9032211.641 bn/sic/莫來石莫來石85%1827.133 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 碳纖維碳纖維/莫來石復合材料莫

12、來石復合材料 典型制備方法：典型制備方法： 高強碳纖維繩為增強相，高強碳纖維繩為增強相， 亞微米氧化鋁和氧化硅溶膠亞微米氧化鋁和氧化硅溶膠莫來石凝膠莫來石凝膠 莫來石粉體莫來石粉體漿料漿料 通過一次滲透法制備單向碳纖維復合材料通過一次滲透法制備單向碳纖維復合材料 13001400，2h2h： 相對密度相對密度9999，強度：，強度：720mpa720mpa 16001600，2h2h：全部莫來石：全部莫來石 密度密度 99 99，強度：，強度：766mpa766mpa 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 zro2增韌莫來石基復合材料（增韌莫來石基復合材料（zmt） 原位反應燒結原位反應燒結 原料：鋯

13、英石、氧化鋁原料：鋯英石、氧化鋁 2232322 22332zrosiooaloalzrsio 燒結過程的雙重效應燒結過程的雙重效應 反應膨脹（反應膨脹（13） 燒結收縮燒結收縮 制品原位燒結。制品原位燒結。 強度：強度：400mpa 韌性：韌性：4.5mpa.m1/2 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 顆粒或晶須補強增顆粒或晶須補強增 韌莫來石韌莫來石 多種補強劑協同補多種補強劑協同補 強增韌強增韌 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 莫來石陶瓷的應用莫來石陶瓷的應用 應用領域應用領域應用場合應用場合應用部位應用部位 水泥工業水泥工業回轉窯回轉窯內襯材料內襯材料 陶瓷工業陶瓷工業燒結窯燒結窯推板、匣砵

14、、坩堝推板、匣砵、坩堝 玻璃工業玻璃工業玻璃熔窯玻璃熔窯窯池、窯壁等窯池、窯壁等 有色金屬有色金屬熔鋁爐熔鋁爐與液態鋁接觸處與液態鋁接觸處 鋼鐵工業鋼鐵工業高爐連鑄系統高爐連鑄系統爐襯、水口爐襯、水口 石油化工石油化工反應器反應器內襯材料內襯材料 高溫陶瓷高溫陶瓷熱機部件熱機部件活塞頂等活塞頂等 信息產業信息產業電子器件電子器件封裝材料封裝材料 精密設備精密設備光學部件光學部件窗口材料窗口材料 其他應用其他應用纖維、多空載體纖維、多空載體 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 應用實例應用實例 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 n鋯英石陶瓷鋯英石陶瓷 zro2-sio2系統惟

15、一穩定的化合物系統惟一穩定的化合物 分子式：分子式：zrsio4 zro2：67.22wt% sio2： 32.78wt% 純的鋯英石純的鋯英石白色，實際白色，實際淡黃色（淡黃色（fe） 天然礦物較多，分布于海南、廣東、遼寧等地天然礦物較多，分布于海南、廣東、遼寧等地 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鋯英石的結構和性質鋯英石的結構和性質 島狀結構的硅酸鹽島狀結構的硅酸鹽 金紅石結構金紅石結構 硅氧四面體獨立硅氧四面體獨立 zr4+連接連接 zr4+填充在填充在8個個o2-之間之間 形成形成zro8十二面體十二面體 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鋯英石的基本理化性質鋯英石的基本理化性質 性質性質數

16、值數值 理論密度理論密度4.67 熔點熔點1700-1750 莫氏硬度莫氏硬度7.5 彈性模量彈性模量230 抗彎強度抗彎強度200-300 斷裂韌性斷裂韌性2-3 膨脹系數膨脹系數4.1 抗熱震性能優異抗熱震性能優異 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鋯英石粉體的制備鋯英石粉體的制備 典型的制備方法（濕化學法）典型的制備方法（濕化學法） 氧氯化鋯、氣凝二氧化硅為原料，引入晶種氧氯化鋯、氣凝二氧化硅為原料，引入晶種 得到高純亞微米級鋯英石得到高純亞微米級鋯英石 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鋯英石陶瓷的燒結鋯英石陶瓷的燒結 鋯英石鋯英石難燒結的復合氧化物陶瓷難燒結的復合氧化物陶瓷 可引入可引入al

17、-ti-si燒結助劑燒結助劑液相燒結（液相燒結（1600） 熱壓燒結明顯提高性能熱壓燒結明顯提高性能 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 晶須、顆粒補強鋯英石陶瓷晶須、顆粒補強鋯英石陶瓷 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鋯英石陶瓷的應用鋯英石陶瓷的應用 金屬鑄造金屬鑄造 型砂型砂 高級耐火材料高級耐火材料 連鑄連鑄 水口水口 真空冶煉真空冶煉 鋯莫來石磚鋯莫來石磚 玻璃窯爐玻璃窯爐 鋯剛玉磚鋯剛玉磚 傳統陶瓷工業傳統陶瓷工業 引入釉料引入釉料 降低膨脹性降低膨脹性 提高白度提高白度 化學穩定性化學穩定性 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 n鈦酸鋁陶瓷鈦酸鋁陶瓷 化學組成：化學組成：al2tio5 氧化物陶

18、瓷材料氧化物陶瓷材料 鈦酸鋁陶瓷的基本性質鈦酸鋁陶瓷的基本性質 性質性質數值數值 密度密度3.702 強度強度100-170（室溫）（室溫）120-300（1200） 膨脹系數膨脹系數a向：向：11.8 b向：向：19.4 c向：向：- 2.6 0-1.5（多晶鈦酸鋁）（多晶鈦酸鋁） 熔點熔點1860 使用溫度使用溫度1650 超低膨脹系數超低膨脹系數高抗熱震性高抗熱震性抗高溫腐蝕抗高溫腐蝕 高溫高溫強度提高強度提高 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 膨脹系數和抗彎強度膨脹系數和抗彎強度溫度關系溫度關系 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鈦酸鋁陶瓷的制備鈦酸鋁陶瓷的制備 粉體合成：粉體合成： 固相法：固相法： al2o3+tio2 (1300) 液相法：液相法： 金屬醇鹽金屬醇鹽溶膠凝膠溶膠凝膠1200熱處理熱處理 燒結：燒結： 反應燒結：體積膨脹反應燒結：體積膨脹致密度低致密度低 合成合成燒結：性能改善燒結：性能改善 液相燒結：引入添加劑液相燒結：引入添加劑 2%mgo和和4%sio2(1500) 60mpa 氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料 鈦酸鋁陶瓷的應用鈦酸鋁陶瓷的應用 課程專題報告安排課程專題報告安排 次序次序時間時間報告人報告人報報 告告 題題 目目 111.25 孔茉莉孔茉