1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院第七章特种耐火材料第七章特种耐火材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院主要内容主要内容概述氧化物陶瓷非氧化物陶瓷金属陶瓷材料科学与工程学院材料科学与工程学院3 定义 在传统陶瓷和普通耐火材料的基础上发展起来的一组新型材料。有时也称高温陶瓷或高温材料。材料科学与工程学院材料科学与工程学院特点特点 原料品位高、纯度高、熔点都在1728以上；多采用微米级细粉。制造工艺进步。高温甚至超高温烧成，气氛保护（氧化、还原、中性、惰性、真空等）。品种丰富（厚实、薄形、中空球状、高度分散的不定形、透明或半透明、柔软如丝的纤维、单晶、超硬等）性能更优冶金、国防、军工、科学研究
2、、新兴技术、轻工、化工、电力、电子、医学、农业等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院1）普通耐火材料 可塑性物料（主要为粘土）：可塑性 瘠性物料（石英、粘土熟料）：骨架 助熔剂（长石、铁氧化物、碳酸盐）：促烧、着色 有机物料（天然腐植质或锯末、糖皮、煤粉等）：气孔 原料破粉碎配料混练泥料 原料原料 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2）特种耐火材料 纯度高：充分发挥晶体本身的特点；细度细：低温烧结，抑制晶粒长大，强度，韧性 原料原料 材料科学与工程学院材料科学与工程学院固固 相相 法法 化合或还原化合法 MeXMeX（Me 金属 X 非金属）制取硼化物的碳化硼法 4MeOB4C3C4Me
3、B4CO 自蔓延高温合成法（SelfPropagation HighTemperature Systhesis，SHS）固相热分解法 液相法液相法反应沉淀法溶胶凝胶法（SolGel）材料科学与工程学院材料科学与工程学院气相法气相法气相化学反应合成法气相热分解法碳化物：MeXnCmHkH2MeC+HX+H2 硼化物：MeXnBCl3H2MeBm+HX+HCl 硅化物：MeXnSiCl4H2MeSim+HX+HCl 氮化物：MeXnN2（NH3）H2MeNHX 氧化物：MeXnO2MeOX2材料科学与工程学院材料科学与工程学院机械法机械法滚动 球磨振动 球磨搅动 球磨气流 粉碎溶剂蒸发法 酒精 干
4、燥法冷冻 干燥法热石油 干燥法喷雾 干燥法材料科学与工程学院材料科学与工程学院成型成型10 1）普通耐火材料 干压，浇注，等静压等.2）特种耐火材料 等离子喷涂法化学气相沉积法钢模压法 等静压法粉料成形方法浆料成形方法注浆法可塑成形方法挤压法 轧膜法热致密成形方法热压法注射成形方法材料科学与工程学院材料科学与工程学院烧结烧结1）普通耐火材料、低温阶段（200）：物理水，硬度；、分解氧化阶段（200-900）：结晶水，有机物氧化、盐的分解、熔融相出现；、高温阶段（900-最高温度）：熔融物大量增加，结晶产生；、保温阶段：熔融物，结晶成长并转变；、冷却阶段：液相过冷结晶，生成细晶并发生相应转变。材
5、料科学与工程学院材料科学与工程学院烧结烧结 2）特种耐火材料 常压烧结热压（热等静压）烧结反应烧结气压烧结真空烧结自蔓延烧结微波烧结材料科学与工程学院材料科学与工程学院主要为二大类：1)金属（主要为过渡族）金属（主要为过渡族）+非金属（非金属（C、N、B、O、Si等）等）2)非金属之间（非金属之间（C、N、B、O、Si等）等）氧化物陶瓷（高熔点氧化物材料）：Al2O3、BeO、CaO、CeO、MgO、ZrO2、SnO2、UO2等，熔点2000；分类分类材料科学与工程学院材料科学与工程学院 非氧化物硬质陶瓷（碳化物、氮化物、硼化物、硅化物非氧化物硬质陶瓷（碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物等
6、）如、硫化物等）如SiC、B4C、WC、TiC、HfC、NbC、ZrC等，熔点最高，硬度高，脆性大；等，熔点最高，硬度高，脆性大；BN、Si3N4、AlN、ZrN、HfN等，熔点高，硬度最硬；等，熔点高，硬度最硬；HfB2、ZrB2、WB、MoB等，熔点等，熔点2000，氧化性最强；，氧化性最强；MoSi2、ZrSi2等，熔点等，熔点2000，抗氧化性强），抗氧化性强）金属陶瓷金属陶瓷 无机涂料（陶瓷涂层材料）无机涂料（陶瓷涂层材料）陶瓷纤维及纤维增强材料陶瓷纤维及纤维增强材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院用用 途途使用温度使用温度/采用材质采用材质特特 殊殊 冶冶 炼炼熔炼熔炼U的坩埚
7、的坩埚BeO，CaO，ThO2熔炼熔炼Pa，Pt坩埚坩埚ZrO2，Al2O3钢水连续测温套管钢水连续测温套管1700ZrB2，Al2O3钢水快速测氧探头钢水快速测氧探头1500ZrO2连续铸钢浸入式水口连续铸钢浸入式水口1500SiO2熔炼半导体熔炼半导体GaAs、GaP单晶坩埚单晶坩埚1200AlN，BN大型转炉炉衬大型转炉炉衬1600MgO-C大型钢包滑动水口大型钢包滑动水口1600Al2O3CZrO2炉外精炼炉炉衬炉外精炼炉炉衬1600MgOCr2O3材料科学与工程学院材料科学与工程学院用用 途途使用温度使用温度/采用材质采用材质航航 天天导弹头部雷达天线保导弹头部雷达天线保护罩护罩10
8、00Al2O3，ZrO2，HfO2 特耐纤维塑料特耐纤维塑料重返大气层的飞船重返大气层的飞船约约5000石棉纤维酚醛石棉纤维酚醛洲际导弹头部保护材洲际导弹头部保护材料料C纤维酚醛纤维酚醛火箭发动机燃烧室的火箭发动机燃烧室的内衬内衬20003000SiC，Si3N4，BeO喷嘴喷嘴导弹瞄准用陀螺仪导弹瞄准用陀螺仪800Al2O3，B4C材料科学与工程学院材料科学与工程学院用用 途途使用温度使用温度/采用材质采用材质飞飞 机机 潜潜 艇艇涡轮喷气发动机的涡轮喷气发动机的压缩机叶片压缩机叶片C纤维加塑料纤维加塑料涡轮叶片涡轮叶片850-1000Si3N4，TiC基基金属陶瓷，金属陶瓷，Cr3C2基金
9、属陶基金属陶瓷涂层瓷涂层机身机翼结构材料机身机翼结构材料 潜艇外壳结构材料潜艇外壳结构材料 300-500B纤维塑料复纤维塑料复合材料合材料 C纤维塑料复纤维塑料复合材料合材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院18 用用 途途使用温度使用温度/采用材质采用材质原原子子反反应应堆堆原子反应堆核燃料原子反应堆核燃料1000UO2UC，ThO2核燃料的涂层核燃料的涂层BeO，Al2O3，ZrO2，SiC，ZrC吸收中子的控制棒吸收中子的控制棒1000HfO2，B4C，BN中子减速剂中子减速剂1000BeO，BeC，石墨，石墨反应堆反射材料反应堆反射材料1000BeO，WC，石墨，石墨18 材料科学
10、与工程学院材料科学与工程学院用用 途途使用温度使用温度/采用材质采用材质特特 种种 电电 炉炉高温发热元件高温发热元件15003000ZrO2，ThO2，MoSi2，SiC，LaCrO3，ZrB2，石墨石墨 炉膛结构材料炉膛结构材料1500-2200Al2O3，ZrO2炉膛隔热材料炉膛隔热材料泡沫泡沫Al2O3，Al2O3、ZrO2空心球空心球高温炉观测窗高温炉观测窗10001500透明透明Al2O3炉管炉管1800Al2O3，SiC 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 一、氧化镁陶瓷一、氧化镁陶瓷 二、氧化铝陶瓷二、氧化铝陶瓷 三三、氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷材料科学与工程
11、学院材料科学与工程学院21 一、氧化镁陶瓷一、氧化镁陶瓷 v立方晶型 v v熔点2800 v v热膨胀系数大 v v2300-2400 易还原，挥发材料科学与工程学院材料科学与工程学院22 1.1 原料制备原料制备 菱镁矿、白云水镁矿、滑石等 海水镁砂 第一阶段：200300，开始分解并放出气体 第二阶段：500600，分解剧烈，800分解基本完成，这时得到不完全的MgO结晶 第二阶段：800以上，MgO结晶逐渐长大并完整。在10001200煅烧，活性较大 在1700，死烧MgO 一般煅烧温度在1400 左右材料科学与工程学院材料科学与工程学院23 粉料制备粉料制备 v干法球磨干法球磨 v采用
12、刚玉质球磨采用刚玉质球磨,不用铁质不用铁质材料科学与工程学院材料科学与工程学院24 1.2 氧化镁制品的制造氧化镁制品的制造方法煅烧温度（）线收缩（）体积密度（g/cm3）气孔率（）晶粒平均直径（um）由氢氧化镁制得135015.72.4231.62.0145022.43.244.28.0160024.23.302.822.0由硝酸镁制得13501.11.8448.21145010.12.4630.55160015.12.8620.110由碱式碳酸镁制得135012.61.7250.81.5145010.12.2935.86.0160015.22.4531.87.5由氯化镁制得13501.11
13、.8348.51.014507.32.1828.84.0160012.52.6426.26.0材料科学与工程学院材料科学与工程学院25 1.3 特性和用途特性和用途v低温至高温时高电阻率低温至高温时高电阻率 发热导线的绝缘材料发热导线的绝缘材料 高温热电偶保护管高温热电偶保护管 v耐高温，抗熔融金属腐蚀耐高温，抗熔融金属腐蚀 坩埚（冶炼高纯度坩埚（冶炼高纯度Fe、Cu、Mo、Mg等，等，U、Th及及其合金等）其合金等）高温炉衬材料（氧化气氛：高温炉衬材料（氧化气氛：2200，还原气氛：，还原气氛：1700，真空气氛：，真空气氛：1600-1700）v抗热震性差，耐酸性差，易水化抗热震性差，耐酸
14、性差，易水化材料科学与工程学院材料科学与工程学院 二、氧化铝陶瓷二、氧化铝陶瓷26 v2.1 定义定义 Al2O385%（2050，3.99g/cm3）高铝陶瓷，高铝陶瓷，Al2O3，性能，性能，但工艺复杂，成本也高，但工艺复杂，成本也高。v2.2 原料与制造方法原料与制造方法 铝矾土中提炼铝矾土中提炼 我国铝矾土资源丰富我国铝矾土资源丰富（山西、河南、河北、贵阳、（山西、河南、河北、贵阳、湖南）湖南）材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.1 干法干法 特点：疏松多孔，容易粉碎。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.2 碱石灰法碱石灰法(拜尔法拜尔法)材料科学与工程学院材料科学与工
15、程学院 2.2.3 粘土焙烧法 将高岭土在500600下焙烧，脱水成偏高岭石，进一步分解为氧化铝和二氧化硅，采用盐酸或硫酸提炼成相应的铝盐溶液，残留物为二氧化硅，过滤后以氢氧化铝沉淀下来，再经煅烧而成 2.2.4 高纯氧化铝的制备 高纯金属铝硫酸铝铵或碳酸铝低温分解 有机铝水解或溴化铝等离子分解方法 材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.4 制造工艺制造工艺v预烧预烧 v与与Al2O3形成固溶体的添加剂：形成固溶体的添加剂：TiO2、Cr2O3、Fe2O3等等。等等。v生成液相的添加剂生成液相的添加剂 如高岭土、如高岭土、MgO等等等等 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1.机械强度高25
16、0MPa 2.电阻率高，电绝缘性好。1015.cm 3.硬度高莫氏硬度9 4.熔点高 5.优良的化学稳定性 6.脆性大，抗热震性差2.5 性能特点性能特点材料科学与工程学院材料科学与工程学院三三 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷常温下：单斜晶系 5.65 中温下：四方晶系 6.10 高温时：立方晶系 6.273.1 氧化锆的多晶型5-8 vol%四方单斜117010002300立方（2715）材料科学与工程学院材料科学与工程学院3.2 氧化锆的稳定氧化锆的稳定 稳定剂：Y2O3,CaO,MgO，Al2O3,CeO2 立方固溶体氧化锆称为稳定氧化锆材料科学与工程学院材料科学与工程学院3.3 氧化锆的制取氧化
17、锆的制取v1等离子体法等离子体法 两步组成:1）等离子源热解锆英石（ZrSiO4）2）碱浸除硅v2 碳酸钠制取氧化锆碳酸钠制取氧化锆 ZrSiO4+Na2CO3Na2ZrO3+Na2SiO3材料科学与工程学院材料科学与工程学院高 纯 超 细 氧 化 锆 粉 末 3 共沉淀法锆盐溶液沉淀剂锆盐溶液沉淀剂中和沉淀中和沉淀过滤过滤洗涤洗涤（100-120）干燥干燥（700-900）煅烧）煅烧ZrO2粉体粉体优点：设备&工艺简单，生产成本低廉，且易于获得纯度较高的纳米级超细粉体。缺点：没有解决超细粉体的硬团聚问题，粉体的分散性差，烧结活性低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院4 水热法 锆盐溶液锆盐
18、溶液水热处理水热处理（70）干）干燥燥ZrO2粉体粉体优点：粉料粒度极细，可达到纳米级，粒度分布窄，省去了高温煅烧工序，颗粒团聚程度小。缺点：设备复杂，昂贵，反应条件较苛刻，难于实现大规模工业化生产。材料科学与工程学院材料科学与工程学院5 溶胶凝胶法 锆盐溶液锆盐溶液水解缩聚水解缩聚溶胶溶胶 成化成化 湿凝胶湿凝胶 干燥干燥干凝胶干凝胶 煅烧煅烧 ZrO2粉体粉体优点：1.粒度细微，为亚微米级或更细；2.粒度分布窄。3.纯度高，化学组成均匀，可达分子或原子尺度。4.烧成温度比传统方法低缺点：1.原料成本高且对环境有污染。2.理过程时间较长。3.胶粒及凝胶过滤，洗涤过程不易控制。材料科学与工程学
19、院材料科学与工程学院即在主原料ZrO2粉末中，直接加入适量的添加剂，进行混合在制备超细粉末时，将所需要的添加剂一同加入，以得到部分（全)稳定ZrO2添加剂直接加入法预合成加入法3.4氧化锆陶瓷制造工艺 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1.应力诱导相变增韧2.微裂纹增韧3.裂纹分支增韧4.裂纹偏转和弯曲增韧3.5氧化锆增韧机理材料科学与工程学院材料科学与工程学院3.6氧化锆陶瓷的应用氧化锆陶瓷的应用v结构陶瓷 四方氧化锆多晶体（TZP）陶瓷具有高韧性，抗弯强度，耐磨性，高抗热冲击性等等 1）磨球 2）微型风扇轴心 3）发动机，内燃机等领域的应用 材料科学与工程学院材料科学与工程学院非氧化物陶
20、瓷非氧化物陶瓷 一、SiC陶瓷 二、TiC陶瓷 三、BN陶瓷 四、Si3N4 陶瓷 五、ZrB2陶瓷材料科学与工程学院材料科学与工程学院42 方法方法 反应反应 在在保护气氛或真空保护气氛或真空中金属中金属或金属氢化物经熔融或烧或金属氢化物经熔融或烧结直接与碳反应结直接与碳反应 Me+CMeC MeH+CMeC+H2 过量碳与金属氧化物在保过量碳与金属氧化物在保护气氛或还原气氛中直接护气氛或还原气氛中直接反应反应 MeO+CMeC+CO 金属与碳化气体反应金属与碳化气体反应 Me+CxHyMeC+H2 Me+COMeC+CO2 金属卤化物或金属碳基化金属卤化物或金属碳基化物在氢气中反应，由气相
21、物在氢气中反应，由气相沉淀得到沉淀得到 MeCl4+CxHy+H2MeC+HCl(CmH2)Me+H2MeC+(CO、CO2、H2O)金属碳化物的制备金属碳化物的制备材料科学与工程学院材料科学与工程学院43 一、一、SiC陶瓷陶瓷v熔点：熔点：2830 2830 v金刚石结构，金刚石结构，7575种变体。种变体。vSiCSiC多以多以-SiC-SiC为主晶相，有绿为主晶相，有绿SiCSiC、黑、黑SiCSiC。纯。纯SiCSiC为为无色无色晶格常数（Ao）晶 型 结晶构造 a c-SiC 6H-SiC 4H-SiC 15R-SiC-SiC 六 方 六 方 六 方 斜方六面（菱形）面心立方 3.
22、0817 3.073 3.073 12.69 4.349 5.0394 15.1183 10.053 37.70（=1354.5）材料科学与工程学院材料科学与工程学院44 v原料制备原料制备 v 化合法化合法 碳热还原法碳热还原法 气相沉积法气相沉积法 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法 材料科学与工程学院材料科学与工程学院45 v陶瓷制备陶瓷制备 v 常压烧结常压烧结 ：需加添加剂，达到：需加添加剂，达到9898的致密度的致密度 热压烧结热压烧结 ：可加添加剂，达到理论致密度：可加添加剂，达到理论致密度 反应烧结：低温烧成（反应烧结：低温烧成（1600-17001600-1700），热震性好）
23、，热震性好 浸渍法：较低温度合成（浸渍法：较低温度合成（10001000）材料科学与工程学院材料科学与工程学院性能性能46 v高温强度高（其它陶瓷材料到1200-1400时强度显著降低，而SiC在1400抗弯强度仍保持500-600MPa；）v抗氧化性好（800-1140？）v热传导能力高（仅次于BeO陶瓷）v低热膨胀系数热震稳定性好 v耐腐蚀，耐磨性好 v抗蠕变性能好 v纯SiC为绝缘体，当有杂质时，变为良导体 材料科学与工程学院材料科学与工程学院47 v应用应用 q火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、热电偶套管、燃气轮机的叶片、轴承、柴油发动机中汽缸、活塞；q高温下热交换器部件、核反应堆材
24、料、火箭头部雷达天线罩等；q各种泵的密封件（硬质合金）；q磨料、发热元件、耐火材料等。q传统的吸波材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院48 新进展新进展vSiC晶须材料科学与工程学院材料科学与工程学院v3160 v v立方晶系49 二、二、TiC陶瓷陶瓷材料科学与工程学院材料科学与工程学院50 v（1）碳热还原法 缺点：反应时间长；反应产物不够纯；反应产物粒度范围宽2.1 粉末制备方法材料科学与工程学院材料科学与工程学院51 v（2）直接碳化法反应时间长，反应物容易团聚，还需要进一步提纯，生产成本高2.1 粉末制备方法材料科学与工程学院材料科学与工程学院52 v（3）化学气相沉积法产量、质
25、量受到限制2.1 粉末制备方法v（4）高温自蔓延法 反应速度快，需要高纯，微细粉料作为原料，产量少 材料科学与工程学院材料科学与工程学院53 v（1）TiC在复相材料中的应用2.2 应用刀具材料宇航部件堆焊焊条材料科学与工程学院材料科学与工程学院54 v（2）用于涂层材料金刚石涂层电接触材料涂层掘进机截齿涂层v（3）泡沫陶瓷 v（4)耐火材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院55 金属氮化物的制备金属氮化物的制备方法方法 反应反应 使金属粉末或金属氢化物粉末氮化使金属粉末或金属氢化物粉末氮化 Me+N2MeN MeH+N2MeN+H2 Me(MeH)NH3MeN+H2 有碳存在时使金属氧化物
26、粉末氮化有碳存在时使金属氧化物粉末氮化 MeO+N2(NH3)+CMeN+CO+H2O+H2 金属氯化物与金属氯化物与NH3反应反应 MeCl4+NH3MeN+HCl MeOCl3+NH3MeN+HCl+H2O+H2 通过金属卤化物粉末在通过金属卤化物粉末在N2-H2中反应，由中反应，由气相沉淀得到气相沉淀得到 MeCl4+N2+H2MeN+HCl 材料科学与工程学院材料科学与工程学院56 三、三、BN陶瓷陶瓷v3000分解 v三种变体：六方，密排六方和立方 v六方 常温稳定相 v密排六方和立方高温稳定相 材料科学与工程学院材料科学与工程学院57 v六方晶系，结构类似石墨，“白石墨”，但结构中
27、没有自由电子材料科学与工程学院材料科学与工程学院58 v粉体制备 卤化硼法：BCl3+NH3 硼 酐 法：B2O3+NH3 硼 酸 法：H3BO3 硼 砂 法：Na2B4O7v高温润滑剂 v耐高温，绝缘性好电绝缘材料 v导热性好，微波穿透能力雷达传递窗 v几乎对所有熔融金属稳定冶炼材料 材料科学与工程学院材料科学与工程学院59 59 四、四、Si3N4 陶瓷陶瓷v1900 v两种晶型：颗粒状，针状 v 结构不对称，自由能高 v14001600，是低温型，是高温型。重建式转变 材料科学与工程学院材料科学与工程学院60 相晶格常数计算密度（g/cm3显微硬度（Gpa）ac7.7485.6173.1
28、8416-107.6082.9103.18732.65-29.5材料科学与工程学院材料科学与工程学院61 v粉末制备 金属硅粉直接氮化法 碳热还原法 热分解法 气相合成法材料科学与工程学院材料科学与工程学院氮化硅陶瓷的制备氮化硅陶瓷的制备62 v反应烧结氮化硅法反应烧结氮化硅法（纯度，催化剂12）热压烧结氮化硅法热压烧结氮化硅法 （原料氮化硅粉，添加剂（原料氮化硅粉，添加剂MgO，Al2O3等）等）常压烧结氮化硅法常压烧结氮化硅法 （常压烧结难达到理论密（常压烧结难达到理论密度在于其高温分解，度在于其高温分解，原料，添加剂，气氛压原料，添加剂，气氛压力，或埋粉）力，或埋粉）热等静压烧结法热等静
29、压烧结法 材料科学与工程学院材料科学与工程学院63 v不同制备方法有不同的性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院64 v应用1.耐高温耐磨：发动机转子，活塞顶盖等 2.热震性好，热膨胀系数小，耐腐蚀，摩擦系数小，冶金和热加工行业:坩埚，传送辊，连铸分流环。化工工业上的球阀，密封环等 3.强度高，耐磨，摩擦系数小：机械工业的轴承滚珠。材料科学与工程学院材料科学与工程学院v三种组成 ZrB ZrB2 ZrB12 3040 六方65 五、五、ZrB2陶瓷陶瓷材料科学与工程学院材料科学与工程学院66 v直接化合法：ZrB2ZrB2n固相热分解法：n碳热、金属热还原法：n自蔓延高温合成法：合成方法合成
30、方法材料科学与工程学院材料科学与工程学院2022-12-15 金属陶瓷材料科学与工程学院材料科学与工程学院1 概述 金属及其合金：热稳定性好，延展性好，但高温易氧化，蠕变 陶瓷：脆性大，热稳定性差，但耐火度高，耐腐蚀性强 材料科学与工程学院材料科学与工程学院金属陶瓷：陶瓷相：高熔点化合物 氧化物 碳化物 硼化物 氮化物 金属相：纯金属及其合金钨、钼、钽、铌、钛、铁、钴、镍 特点：高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、耐高温、抗热震材料科学与工程学院材料科学与工程学院2022-12-15 2 金属陶瓷的定义 美国ASTMC21委员会金属陶瓷B组：一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材
31、料 ASTM金属陶瓷研究委员会：一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，其中后者约占1585，同时在制备温度下，金属和陶瓷相间溶解度是很小的。中国国标中国国标GB3500GB35008383由至少一种金属相和至少一由至少一种金属相和至少一种通常为陶瓷性质的非金属相组成的烧结材料。种通常为陶瓷性质的非金属相组成的烧结材料。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2022-12-15 3 选择原则 熔融金属（合金）与陶瓷相的润湿性润湿性能要良好 金属相与陶瓷相之间应有一定的溶解度溶解度，但无剧烈的化学反应 金属相和陶瓷相的热膨胀系数热膨胀系数应尽可能接近 为了获得良好的显微结构，金属
32、相和陶瓷相的量应有适当的要求理想的显微结构 弥散相：微小的陶瓷粒子弥散相：微小的陶瓷粒子 连续相：金属连续相：金属材料科学与工程学院材料科学与工程学院2022-12-15 4 金属陶瓷的制备方法材料科学与工程学院材料科学与工程学院2022-12-15 6 6 氧化物基陶瓷氧化物基陶瓷氧化物与液体金属间的界面能一般较大，金属对氧化物的润湿性一般较差：氧化物的表面具有排斥金属电子的能力材料科学与工程学院材料科学与工程学院6.1 Al2O3-Cr系金属陶瓷 润湿性不好 在烧结气氛中引入微量的水汽或氧气 在配料中引入部分Al（OH）3 在配料中引入部分Cr2O3 膨胀系数差别较大 引入金属钼 优良的高
33、温抗氧化性、耐腐蚀性和高的强度：导弹喷管的衬套，热电偶保护套等等 材料科学与工程学院材料科学与工程学院6.2 MgOMgO.Cr2O3Mo金属陶瓷 优良的抗高温钢渣、钢液和气体的化学腐蚀能力，优良的耐机械冲刷和优良的抗热震能力：用于钢水连续测温套管，寿命比ZrB2、ZrO2Mo等材质寿命有显著提高材料科学与工程学院材料科学与工程学院2022-12-15 7 7 碳化物基金属陶瓷碳化物基金属陶瓷材料科学与工程学院材料科学与工程学院7.1 概述 完全不润湿：Zn，Sn，Al等。非过渡族金属 能润湿并能与碳化物产生有限度的作用过渡族金属 对碳化物的润湿能力材料科学与工程学院材料科学与工程学院 按照被
34、金属润湿来划分 WC，VC，TaC，TiC，UC，ZrC固体表面能递减材料科学与工程学院材料科学与工程学院 诱导金属：为了改善金属对碳化物的润湿性，常常采用加入少量第二种金属 例：0.25 Ni-Cu 导致铜对ZrC的润湿角从135减小到54材料科学与工程学院材料科学与工程学院7.2 WC基金属陶瓷 WC基金属陶瓷是碳化物基金属陶瓷中研究最多、应用最广的一类金属陶瓷。材料科学与工程学院材料科学与工程学院纳米纳米WC-Co 复合粉末的制备复合粉末的制备喷雾转换工艺 是目前工业化批量生产WC-Co 纳米复合粉的主要方法。该法由美国的Rutgers大学和Nanodyne公司共同研制成功，采用该工艺生
35、产出的纳米WCCo粉粒度可达到20nm40nm，W 和Co达到分子量级的混合，无需研磨，并且从一开始工艺就不受环境影响。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 该工艺主要由3个步骤组成:(1)制备和混合先驱体化合物水溶液，固定初始溶液中的成分；(2)将初始溶液经喷雾干燥形成均匀的先驱体粉末；(3)经热化学转换将先驱体粉转变成纳米粉体。在实际生产中通常是将偏钨酸铵水溶液与氯化钴混合形成原始溶液，经雾化干燥形成化学成分均匀、细小的钨和钴盐混合物，再将混合粉体在流化床中还原和碳化得到纳米WC-Co 粉体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院原位渗碳还原法 美国Texas 大学的Y.T.Zhu。该方法创
36、新之处在于利用聚丙烯腈作原位碳源，直接由H2 一步将先驱体还原成纳米单相WC-Co粉体，无需CO/CO2 的碳化过程。该工艺的关键是将钨酸和钴盐溶解在聚丙烯腈溶液中，经低温干燥后移至气氛炉内于800900的温度范围内由90%Ar-10%H2 的混合气体直接还原成WC-Co 粉体，粉体的晶粒度为50 nm80 nm。材料科学与工程学院材料科学与工程学院机械合金化 中国科学院固体物理所董远达研究组将石墨粉和W 粉按原子比11 混合，利用机械合金化法合成了晶粒为7.2 nm 的WC 粉体。浙江大学的吴希俊等人将WO3+Mg+C 粉混合粉置于球磨罐内，在N2 气氛中高能球磨，制备出平均晶粒为6 nm
37、的W2C 粉体。上海大学马学鸣项目组利用机械合金化技术直接由W、C、Co 粉制备出11.3 nm 的WC-Co 粉末。材料科学与工程学院材料科学与工程学院烧结方法 孔隙度低 产品具有更细和更均匀的显微结构，因而硬度、抗弯强度和矫顽磁力均获得提高 使用寿命长 微波烧结材料科学与工程学院材料科学与工程学院等离子活化烧结 升温速率非常快，可达100/s 烧结后的产品晶粒比其它方法小1 个数量级 烧结几分钟即可达到98%以上的致密度 烧结时，粉末中一般不必添加任何粘结剂，也无需预先进行压片处理，简化了工艺 烧结后的材料具有较高的力学性能。材料科学与工程学院材料科学与工程学院7.3 TiC基金属陶瓷 T
38、iCNi基金属陶瓷问世于1929年，最初作为WCCo系合金的代用材料，主要用于切削加工，由于脆性很大，其应用受到限制。50年代为了研制喷气发动机的叶片用高温材料，发现TiCNi系金属陶瓷具有优良的高温力学性能和比重低的特点。但是，在烧结时由于镍不能完全润湿TiC，发生TiC颗粒聚集长大，导致材料的韧性很差，结果未达到作耐热材料使用的目的。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1956年，Humenik等人发现在TiCNi基金属陶瓷中添加钼之后，可改善镍对TiC的润湿性，并抑制了TiC晶粒的长大，使合金强度大大提高。这一发现是制造TiC基金属陶瓷的重大技术突破。随后，美国于1959年制成一个精加
39、工用的TiO基合金牌号，并获得了专利。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 进入6O年代，日本东芝、三菱和住友等公司也从事TiC基切削金属陶瓷的研制工作。1965年以后，更多的硬质合金厂积极从事TiC基金属陶瓷的研制工作 进入7O年代后，金属陶瓷的发展日新月异品种牌号迅速增加 材料科学与工程学院材料科学与工程学院发展趋势 新材料的研究与开发新材料的研究与开发 硬质相正在向多样化方向发展,致力于开发新型硬质相和复合硬质相等;作为粘结相的金属或合金的种类不断增多,以资源丰富的金属代替资源短缺的金属(如用Fe和Ni代替Co);相成份范围逐渐拓宽,硬质相和粘结相的含量不断地突破以前研究的范围。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 超细晶粒和纳米级金属陶瓷 金属陶瓷的成份中,当粘结相不变时,决定其力学性能的关键因素主要是材料中的硬质相的晶粒度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 梯度金属陶瓷的应用开发梯度金属陶瓷的应用开发 金属陶瓷回收再利用问题金属陶瓷回收再利用问题 基础研究的发展基础研究的发展 材料制备工艺过程机制 通过控制工艺获得具有特定结构的材料 材料结构形成机制 制备工艺与性能的相互关系 金属与陶瓷的润湿性问题 界面结构研究等
