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先进陶瓷材料 第五讲 结构陶瓷材料(IV) 氧化物陶瓷材料 氧化铝陶瓷 氧化锆增韧陶瓷 莫来石陶瓷 锆英石陶瓷 钛酸铝陶瓷 氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷 氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料 莫来石是一种简单的固溶体 有两种稳定的组成： 烧结莫来石：3Al2O3.2SiO2 熔融莫来石： 2Al2O3.SiO2 晶体结构 与制备工艺有关 晶格常数 随氧化铝含量变化 氧化物陶瓷材料 莫来石的相平衡 Al2O3-SiO2系统是陶瓷中最重要的二元系统 目前还有两个主要分歧： 1）莫来石的熔融问题； 2）莫来石的固溶范围（大小、形状和位置） 两个研究结果对比： 转熔点不同； 转熔温度不同； 固溶区不同。 氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的物理化学性质 氧化物陶瓷材料 突出优点： 线膨胀系数低——良好的抗热震性 蠕变速率低——高温变形小 热导率低——良好的隔热性能 高纯莫来石 抗弯强度——维持到1500oC无明显降低 高温环境下，优良的中红外透过性 氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料 富硅的莫来石陶瓷 高温力学性能明显优于室温 原因：1）高温下黏滞状态玻璃相钝化裂纹 2）柱状莫来石晶粒拔出、吸收能量 氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的粉体合成与烧结 莫来石粉体的合成 工业合成法： 含铝和硅的矿物（高岭石、硅线石）经高温分解形成， 氧化物陶瓷材料 化学合成 1）化学沉淀法 2）溶胶凝胶法 3）包裹法 莫来石陶瓷的烧结和显微结构 莫来石－复合氧化物－扩散系数低 一般条件下，很难致密化 热压烧结温度：1500oC 无压烧结温度：1650oC 氧化物陶瓷材料 降低烧结温度： 合成高活性莫来石粉体 引入添加剂－ 液相烧结 引入1 - 2wt%的Y2O3、MgO或CaO ——降低烧结温度，抑制晶粒长大 引入10 – 20 vol％氧化锆， 明显促进烧结，且氧化锆晶粒位于晶界上，有效阻止晶界迁移，细化莫来石陶瓷的显微结构——提高力学性能 氧化物陶瓷材料 原始粉体对莫来石陶瓷烧结的影响 氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的强韧化 抗弯强度：200－400MPa 断裂韧性：2.2MPa.m1/2 线膨胀系数：4－5×10－6/℃ 突出优点：高温强度衰减小 高的抗蠕变 1987年，日本东京 1990年，美国西雅图 组成、结构、制备等方面的研究 增强、增韧——主要的研究方向之一 氧化物陶瓷材料 高强、高模量第二相复合补强 ——莫来石陶瓷强韧化的有效方法 纤维补强莫来石基复合材料 主要纤维：莫来石纤维、碳纤维、 碳化硅纤维、氧化铝纤维等 机理： 纤维和基体化学结合， 断裂时，纤维从基体 拔出和桥联，阻止裂 纹扩展，吸收断裂能。 氧化物陶瓷材料 莫来石纤维/莫来石复合材料 勃姆石（AlOOH）凝胶和SiO2溶胶为原料，按莫来石化学计量比制备凝胶，干燥后得基体复合粉末——制备成浆料 莫来石纤维，表面涂覆BN或BN/SiC，采用浸渍法浸浆，干燥、切割叠层、真空热压。 所得材料性能 氧化物陶瓷材料 碳纤维/莫来石复合材料 典型制备方法： 高强碳纤维绳为增强相， 亚微米氧化铝和氧化硅溶胶——莫来石凝胶——莫来石粉体——浆料 通过一次渗透法制备单向碳纤维复合材料 1300～1400℃，2h： 相对密度99％，强度：720MPa 1600℃，2h：全部莫来石 密度 99％，强度：766MPa 氧化物陶瓷材料 ZrO2增韧莫来石基复合材料（ZMT） 原位反应烧结 原料：锆英石、氧化铝 氧化物陶瓷材料 颗粒或晶须补强增韧莫来石 多种补强剂协同补强增韧 氧化物陶瓷材料 莫来石陶瓷的应用 氧化物陶瓷材料 应用实例 氧化物陶瓷材料 氧化物陶瓷材料 锆英石陶瓷 ZrO2-SiO2系统惟一稳定的化合物 分子式：ZrSiO4 ZrO2：67.22wt%