材料合成与制备-结构陶瓷

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1、材料合成与制备李亚伟赵雷无机非金属材料系/13:21:04结构陶瓷制备/13:21:048.1结构陶瓷概论结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的高技术陶瓷，特别适合于在高温下应用的则称为高温结构陶瓷。高温结构陶瓷材料具有金属等其他材料所不具备的优点，具有耐高温、高硬度。耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高导热性和质轻的特点。其应用非常广泛。/13:21:04分类1.氧化物陶瓷，如Al2O3，BeO，CaO，MgO，SnO2，UO2等，Tm～2000℃，甚至更高；2.碳化物，B4C，SiC，WC，TiC

2、，HfC，NiC，ZrC等，金属碳化物的Tm最高，硬度大，脆性也大；3.氮化物，BN，Si3N4，AlN，HfN等高Tm，最硬；4.硼化物，HfB，ZrB，WB，MoB等，Tm＞2000℃，抗氧化性强；5.硅化物，MoSi，ZrSi，Tm＞2000℃，高温下生成SiO2或硅酸盐保护层，抗氧化性强。/13:21:04氧化物陶瓷氧化物陶瓷主要作用在于安装、固定、支撑、保护、绝缘，隔离及连接各种电子元器件；应用十分广泛：高频绝缘子、插座、瓷轴、瓷条、瓷管、基板、线圈骨架，波段开关、瓷环等。主要有钡长石瓷：BaO-A

3、l2O3-2SiO2；高铝瓷：Al2O3-SiO2镁质瓷：MgO-Al2O3-2SiO2；硅灰石瓷：CaO-Al2O3-2SiO2；锆石英瓷：ZrO-Al2O3-2SiO2等。一般采用传统的工艺制造。/13:21:04对制品的要求：①介电系数要小；②高频电场下的介电损耗要小；③机械强度要高；④希望有高介电强度、高比体积电阻、高导热系数和合适的热膨胀系数以及易于加工、低成本、无毒、高稳定等性能。/13:21:04主要为II-III族、III-VII副族、第VIII族、镧系、锕系等元素与B、C、N、P、S等的化合

4、物以及这些非金属之间的互化物。1.碳化硅陶瓷(SiC)(1)结构:两种晶型α-SiC，六方晶系，高温稳定型β-SiC，等轴晶系，低温稳定型。Si与C原子以共价键结合，每一种原子都以紧密圆球排列，互相占据对方四面体空隙，形成牢固紧密的结构。非氧化物陶瓷/13:21:04(2)生产工艺石英、碳和锯末装在电弧炉里合成：SiO2+3C→SiC+2CO↑1700℃～1900℃，生成SiO或SiCO烧结:按烧结条件分为常压烧结、热压烧结、反应烧结和高温等静压烧结等。还可利用化学气相沉积法制备碳化硅陶瓷薄膜。沉积温度可在1

5、200～1800℃范围内变化。碳化硅陶瓷薄膜不仅可作为耐磨涂层或抗氧化涂层，也可作敏感材料和制作半导体器件。/13:21:042.氮化硼陶瓷A.六方-BN将石墨结构中的C原子用B和N原子取代，便得到六方-BN，为六方层状结构，其性质也与石墨相近，但层与层之间的结合力较石墨强。六方-BN的硬度较低，容易加工，具有自润滑性，可作高温轴承。在超高压下其性能稳定，是良好的传递高压强的介质材料。B.立方-BN优良的超硬材料；导热系数与不锈钢相当，900℃以上超过BeO，并且随温度变化其导热系数变化不大；热稳定性好，可在

6、1500℃到常温的急变温度条件下使用。/13:21:04(2)生产工艺A.合成原料，两种方法：①用B2O3或Na2B4O7(硼砂)与氨或尿素反应生成BN：②将B2O3与碳混合，在NH3或N2中加热生成BN:20min/13:21:04B.成型和烧结(三种方法)(1)冷压法：将BN粉等静压成型，在1700～2000℃烧结，得到的产品密度低，一般不超过1.2g/cm3，在原料中加入适量的B2O3，产品密度可达1.8g/cm3，在炉内保持2～10MPa的氮气氛也可提高密度；(2)热压法：将BN粉在4×10MPa、2

7、000℃条件热压，一般加1～3％的添加剂(如氧化物、氮化物等)可提高产品密度，达到2g/cm3；(3)气相反应法：将BCl4与NH3两种气体在1450～2300℃流经石墨模具，则在其表面聚集BN，最后形成BN陶瓷产品。这种方法得到的材料纯度高，晶体取向性强、致密，2.20～2.25g/cm3，接近晶体密度2.27g/cm3。/13:21:048.2超微粉的制备方法从粉料粒度变化可分为两大类：粗大粒子粉碎为超微粒;由离子或原子通过形核和长大成超微粒。从制备原料的品种划分可分为金属、无机、有机超微粉；从原料状态上

8、分，可以从固体、液体、气体制备超微粉粒。/13:21:048.2.1超微粉的结构特点一般物质粉粒大小是按筛目大小来区分的，当粒径很小时，由于粒子间相互附着力增大，微粒很容易附着在筛目和器壁上。把粉料微粒粒径为100μm以上的称为粉粒；粒径为10～0.1μm的称为微粒；粒径大小为10～1nm为超微粒；超微粉料的微粒粒径为1～100nm，其大小介于原子、分子和胶态之间/13:21:04特点1.非常大的比