任务 2 ：选择制造热挤压模具的陶瓷材料

1. 任务2：选择制造热挤压模具的陶瓷材料 • 任务目的：了解金属陶瓷材料的性能特点及用途 • 知识点： • 金属陶瓷材料的性能特点及用途； • 复合材料的性能特点及用途。 • 能力点：能根据各种陶瓷和复合材料的性能特点制作各种工具和结构零件。

2. 一、任务描述 如图7-2所示为热挤压模，根据工作情况选择制热挤压模的材料。 二、任务分析 根据热挤压模模工作情况及要求，确定热挤压模对材料的要求,即在高温下具有较好的力学性能和化学稳定性。 三、任务实施

3. 陶瓷材料 • 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。 • 工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。

4. （一）陶瓷材料的特点 • 1、陶瓷材料的相组成特点 • 陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。

5. 晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。 • 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材 • 料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。 • 气相是在工艺过程中形成并保留下来的。

6. 离子键 共价键 • 2、陶瓷材料的结合键特点 • 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。

7. 韧性陶瓷硬度压痕 脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹 • 3、陶瓷材料的性能特点 • 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 • 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。 • 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。

8. Al2O3粉末的烧结组织 ZrO2陶瓷中的气孔 • 4、陶瓷材料的工艺特点 • 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 • 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。

9. 玻璃幕墙 导电玻璃 • （二）陶瓷材料的分类 • 1、按化学成分分类 • 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。

10. 陶瓷零件 • 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。 • 特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。 • 3、按性能和用途分类 • 可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 • 2、按使用的原材料分类 • 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。

11. （三） 常用工业陶瓷 • 1、普通陶瓷 • 普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。 • 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。

12. 景德镇瓷器 绝缘子 • 普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。 • 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。

13. 单相Al2O3陶瓷组织 Al2O3密封、气动陶瓷配件 Al2O3化工、耐磨陶瓷配件 2、新型结构陶瓷 • ⑴氧化铝陶瓷 • 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。

14. 氧化铝耐高温喷嘴 95瓷纺织件 99瓷纺织件 • 根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。 • 氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).

15. 氧化铝陶瓷密封环 氧化铝陶瓷转心球阀 氧化铝陶瓷坩埚 热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。 • 氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、

16. ⑵ 氮化硅（Si3N4）陶瓷 • 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共 价键固体。 • ① 氮化硅的制备与烧结工艺 • 工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 • 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO

17. Si3N4轴承 • ③ 性能特点及应用 • 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。 • 热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。

18. 叶片气阀等零件 汽轮机转子 • 反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。

19. 常压烧结碳化硅 • ⑶ 碳化硅（SiC）陶瓷 • 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 • 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。 • 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。

20. SiC密封件 • 碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。

21. SiC陶瓷件 SiC陶瓷件 SiC轴承 • 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。

22. ZrO2 氧化锆单相陶瓷 • ⑷ 氧化锆陶瓷 • 氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。

23. ZrO2陶瓷耐火件 • 在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。 • 减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。

24. 部分稳定氧化锆组织 • 氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。

25. 部分稳定氧化锆制品 • 部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。

26. 增韧氧化锆导轮芯轴 氧化锆拉线轮 部分稳定氧化锆喷涂层 氧化柱塞 氧化锆油泵 氧化锆球阀 氧化锆制品

27. 复合材料船体 四、知识链接 1、复合材料 • 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。

28. 纤维增强高分子复合材料 • 结成一体，并起传递应力的作用。 • 增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。 • 复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。 • 基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固

29. SiC颗粒 增强相三种类型 Al2O3片 Al2O3纤维 • （1）复合材料的分类 • ①按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。 • ②按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 • ③按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。

30. 比强度比较 碳纤维\树脂 硼纤维\树脂 玻璃纤维\树脂 钛 钢 铝 • 2、复合材料的特点 • （1）比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 • （2）抗疲劳性能好 碳纤维增强材料-1可达b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 • （3）减振性能良好 复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。 • （4）高温性能好。

31. 卫星用颗粒增强铝基复合材料零件 • （3）粒子增强复合材料 • 粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。 • 这种复合材料是各向同性的。

32. 粒子增强SiC陶瓷基复合材料 碳黑增强橡胶 颗粒增强铝基泡沫复合材料 • 聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。 • 陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。

33. 硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀 • 金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 • 碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。

34. 硬质合金模具 硬质合金轴承刀具 • 硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。 • 硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。

35. 层状陶瓷复合材料断口形貌 三明治复合 • （4）层状复合材料 • 层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。 • 这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。

36. 有TiN涂层的高尔夫球头 铝合金蜂窝夹层板 层状复合 • 双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 • 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。

37. 碳纤维 纤维增强复合材料 • 纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。 • 一、纤维增强复合原则 • 在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。

38. 2、纤维的临界长径比 3、纤维最小体积分数 • 1、弹性模量及强度 • 外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则 当外力垂直于纤维轴向时，则

39. 纤维在基体中的不同分布方式 • 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 • 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。

40. 玻璃纤维 碳纤维 SiC纤维 • 二、纤维的种类和性能 • 1、玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。 • 2、碳纤维：化学性能与碳相似。 • 3、硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。 • 4、金属纤维：成丝容易、弹性模量高。 • 5、陶瓷纤维：用于高温、高强复合材料。

41. SiC晶须 • 6、芳香族聚酰胺纤维: 强度、弹性模量高，耐热。 • 7、聚乙烯纤维: 韧性极好，密度非常小 。 • 8、晶须：是直径小于30m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形, 是一种高强度材料。 • 分为金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中, Fe晶须已投入生产。工业生产的陶瓷晶须主要是SiC晶须。

42. 三、聚合物基纤维增强复合材料 • 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 • 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。

43. 碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件 芳纶刹车片 聚合物基纤维增强复合材料零件

44. 美UH－60A型直升飞机 美国F/A-18歼击机 复合材料在航空中的应用

45. MMC的SEM照片 • 四、纤维增强金属基复合材料 • 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 • 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。 • 作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。

46. 航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架 • MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。

47. C/C复合材料 Si/Si复合材料 • 五、纤维增强陶瓷复合材料 • 陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。 • 陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。

48. ZnO晶须 自增韧Si3N4陶瓷 • 用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须 (如SiC 和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。

49. 小结 • 陶瓷分普通陶瓷和特种陶瓷两大类。常用的特种陶瓷有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷及金属陶瓷等。 • 金属陶瓷综合了金属和陶瓷的优良性能。氧化铝基金属陶瓷的强度、耐磨性和抗热振性能非常高，并且在高温下具有较好的力学性能和化学稳定性。常作为结构材料使用。 • 复合材料是由两种以上在物理和化学性质上不同的物质经人工合成的一种多相固体材料。这种材料不仅保留了组成材料各自的优点，而且使各组成材料之间相互复合、取长补短，形成优于原组成材料的综合性能。