陶瓷涂层

陶瓷涂层技术陶瓷涂层技术内容：内容：一、陶瓷二、陶瓷涂层材料三、陶瓷涂层四、几种常见的陶瓷涂层五、讨论早期陶的定义为：黏土经成型后高温烧制而得的坚硬的，遇水不会分散的致密材料。5000年前我国烧制的陶器温度已经达到1050℃，并会制作彩陶3000年前殷周时代，陶器可以上釉五十万年前，人类学会了用火黏土经火烧后变成坚硬耐用的器物石器成型“瓷”字出现于1000多年前的晋代景德镇陶瓷用来表示一种坯体致密，基本不吸水，覆有釉层，半透明的材料。在陶的制作工艺基础上，对工艺条件和原料严格控制，烧制温度更高有关陶器与瓷器的区别主要有如下几点：一、烧成温度不同陶器烧成温度一般都低于瓷器，昀低甚至达到800℃以下，昀高可达1100℃左右。瓷器的烧成温度则比较高，大都在1200℃以上，甚至有的达到1400℃左右。二、坚硬程度不同陶器烧成温度低，坯体并未完全烧结，敲击时声音发闷，胎体硬度较差，有的甚至可以用钢刀划出沟痕。瓷器的烧成温度高，胎体基本烧结，敲击时声音清脆，胎体表面用一般钢刀很难划出沟痕。陶与瓷的差别三、使用原料不同陶器使用一般黏土即可制坯烧成，瓷器则需要选择特定的材料，以高岭土（因昀早发现于江西景德镇东乡高岭村）作坯。陶胎含铁量一般在3%以上，瓷胎含铁量一般在3%以下。烧成温度在陶器所需要的温度阶段，则可成为陶器，例如古代的白陶就是如此烧成的。高岭土在烧制瓷器所需要的温度下，所制的坯体则成为瓷器。但是一般制作陶器的黏土制成的坯体，在烧到1200℃时，则不可能成为瓷器，会被烧熔为玻璃质。四、透明度不同陶器的坯体即使比较薄也不具备半透明的特点。例如龙山文化的黑陶，薄如蛋壳，却并不透明。瓷器的胎体无论薄厚，都具有半透明的特点。陶与瓷的差别（续）五、釉料不同陶器有不挂釉和挂釉的两种，挂釉的陶器釉料在较低的烧成温度时即可熔融。瓷器的釉料有两种，既可在高温下与胎体一次烧成，也可在高温素烧胎(陶瓷生坯)上再挂低温釉，第二次低温烧成。以上几个方面中，昀主要的条件是原材料和烧成温度，其他几个条件，都与这两条密切相关。因此，制陶工匠一旦掌握了烧成温度的技术，并认识到高岭土与一般黏土的区别，便具备了发明瓷器的条件。陶与瓷的差别（续）制造和应用固体制品的技艺和科学，这种固体制品主要是由无机非金属材料作为基本组分组成的加热土质原料而制成固体物件的技艺和科学美国陶瓷专家Kingery的定义原始定义由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料采用高度精选的材料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的，具有优异性能的陶瓷英国人称之为“技术陶瓷”。美国人称之为“高级陶瓷”“近代陶瓷”、“先进陶瓷”、“髙性能陶瓷”。日本人称之为“精细陶瓷”、“新型陶瓷”。我国称之为“工业陶瓷”或“特种陶瓷”。结构陶瓷主要用于工业或者工程上，也被称为“工程陶瓷”。按照化学成分分类氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷复合陶瓷金属陶瓷陶瓷基复合材料按照用途分类：陶瓷建筑陶瓷日用陶瓷结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷陶瓷基复合材料氮化物氧化物碳化物玻璃结构电光磁釉面砖、外墙砖、地砖、锦砖、卫生陶瓷、琉璃瓦、园林陶瓷名称特点普通陶瓷又称作传统陶瓷，是以天然的硅酸盐为原料制成，也叫硅酸盐陶瓷，主要用作日用、建筑、卫生陶瓷制品以及工业上的低压和高压陶瓷，耐酸及过滤陶瓷等。特种陶瓷是以提高陶瓷的性能，以纯度较高的人工化合物为原料，沿用传统陶瓷的制造工艺而获得的。日用陶瓷人们日常生活常用的陶瓷器皿建筑陶瓷绝缘陶瓷又称电工瓷，是一类绝缘性和力学性能都优良的陶瓷材料化工陶瓷具有良好耐酸碱腐蚀性能。不污染介质，按应用分为耐酸砖、耐酸耐温砖、阀和管道制品、塔和容器制品、泵和风机等多孔陶瓷又称过滤陶瓷，具有大量孔隙，孔隙率30－50％结构陶瓷用作结构材料功能陶瓷又称电子陶瓷，是利用陶瓷特有的物理性质或对力、光、电、磁、热、声、气体的敏感性。名称特点生物陶瓷具有良好生物相容性，制成人骨、心脏瓣膜等压电陶瓷能把机械能转换为电能或把电能转换为机械能的陶瓷。介电陶瓷用作电容器的陶瓷，具有良好介电性能，绝缘电阻髙、介电常数大,介质损耗小。半导体陶瓷半导体材料，在温度、湿度、气氛、电场、光等外界条件下导电性发生变化氧化物陶瓷非氧化物陶瓷氮化物、碳化物、硅化物等复合陶瓷两种或者两种以上陶瓷构成，例如：氧化铝、氧化镁构成的铝镁尖晶石瓷。金属陶瓷由陶瓷粉或者陶瓷纤维与金属粉末混合高温烧结成，如氧化物基金属陶瓷，碳化物基金属陶瓷，硼化物基金属陶瓷纤维增强陶瓷陶瓷基复合材料与金属陶瓷都是复合材料陶瓷晶体结构与特性离子键、共价键高熔点、高硬度原子键结合强度显微结构的不均匀性和复杂性工艺原因高熔点、耐磨损、高强度、耐腐蚀脆性大、难加工、可靠性与重现性差陶瓷在工程应用中的几个问题脆性大、塑性韧性低成本与应用陶瓷强度设计与材料的合理使用陶瓷材料与环境协调性三、陶瓷涂层材料三、陶瓷涂层材料氧化铝氧化铝氧化锆氧化锆碳化物碳化物氮化物氮化物NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU氧化铝陶瓷的应用，昀早开始于1931年德国SiemensHalske公司的，他们将其作为火花塞，并获得专利．当时，因其以比以往陶瓷具有绝对优异性能而跃居新型材料之首，引起人们的注意。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU纯氧化铝为白色粉末结晶体，包括无水氧化铝和含结晶水的氧化铝。无水氧化铝有α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3几种不同的结晶体。结构紧密，活性低，高温稳定，电学性能好，良好的机电性能。氧离子做六方密堆，铝离子填充于2/3的八面体间隙内（刚玉结构）。α−Al2O3α-Al2O3是一种稳定的晶型，但其在900－1200℃的冷却过程中，发生α-Al2O3→γ-Al2O3的晶型转变。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUβ-Al2O3仅对钠离子具有传导作用，主要用来制造钠-硫电池,其特点是高效率、对环境无危害和可以反复充电。β-Al2O3因含有碱土金属或碱金属氧化物，在喷涂的加热过程中会发生分解，因而不能作为热喷涂材料使用。β−Al2O3一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物：RO·6Al2O3和R2O·11Al2O3。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU立方尖晶石结构，氧原子为面心立方，铝原子填充在间隙中。密度低，机械性能差，高温不稳定，在自然界不存在。可以利用其松散结构制造多孔材料及复合材料界面层。γ−Al2O3NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU氧化铝陶瓷性能及用途NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU氧化铝陶瓷性能及用途氧化铝粉末是著名的磨料，硬度高，且摩擦系数低，具有优异的耐磨、耐冲蚀性能；氧化铝陶瓷的熔点高，高温化学性能稳定，热导率低，是常用的仅次于氧化锆的耐高温热障陶瓷涂层材料；氧化铝陶瓷的电阻率高，介电常数大，是常用的高性能陶瓷绝缘涂层材料；氧化铝属中性氧化物，化学键力强，化学性能稳定，除强还原性酸和氢氟酸外，能耐大多数酸、碱、盐和溶剂的腐蚀；氧化铝陶瓷对光和高温辐射有高的反射率，且其本身的热辐射率低，耐日光照射，能有效地反射屏蔽强热辐射源；纯氧化铝涂层的孔隙率较高，韧性差，通常采用金刚石砂轮磨销削工。采用有机树脂对涂层进行封孔处理或用玻璃料混合喷涂，有利于改善涂层的耐蚀性、绝缘性。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU氧化铝陶瓷性能及用途NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU氧化铝复相陶瓷表7.9热压氧化铝及几种复相陶瓷的物理机械性能氧化物：MgO，NiO，SiO2，TiO2，Cr2O3，Y2O3降低烧结温度金属：Mo，W，Co，Ti，Cr碳化物：WC，TaC，TiC，Cr3C2，晶须：在Al2O3，Al2O3＋TiC，Al2O3＋TiN，Al2O3＋TiB中加入SiC晶须NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU斜锆石（ZrO2）锆英石（ZrO2·SiO2）纯氧化锆粉呈黄色或者灰色高纯氧化锆粉呈白色熔点2715℃天然矿物单斜ZrO2四方ZrO2立方ZrO2液相1000℃1200℃2370℃2715℃NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU氧化锆晶体结构与相结构m-ZrO2(5.65)→1200℃→t-ZrO2(6.10)→2370℃→c-ZrO2(6.27)ZrO2的差热分析曲线99％ZrO21950℃预烧10001200NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU稳定化氧化锆部分稳定化氧化锆纯氧化锆NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU耐高温涂层一般不使用纯ZrO2粉末，是因为它在高温下的晶型转变会伴随着较大体积变化而产生剥蚀现象。随着温度的升高，ZrO2晶体会出现不同的晶型：常温至1000℃左右为单斜ZrO2，继续升温至1200℃左右，转变为四方ZrO2，转变过程中体积不但未随温度升高而膨胀，反而发生显著的收缩。从高温冷却时，四方ZrO2先是收缩，温度降至约1000℃，发生四方晶体向单斜晶体的晶型转变，并伴随体积的更大膨胀。ZrO2涂层在高低温交变过程中形成很大的热应力，极易发生开裂和剥落失效，因此不适宜作为抗热震涂层使用。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU为了消除体积变化带来的破坏作用，通常在纯氧化锆中加入适量立方晶型氧化物，这类氧化物的金属离子半径与Zr4+相近。如：Y2O3、MgO、CaO。与氧化锆形成立方固溶体，避免体积变化。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU稳定氧化锆用途稳定氧化锆耐火度高，比热与导热系数小，是理想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层，改善金属或低耐火陶瓷的耐高温、抗腐蚀能力。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU稳定氧化锆化学稳定性好，高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀。但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ族金属元素与其不发生反应，可以用来作为熔炼这些金属的坩埚。特别适于铂、钯、铷、铑、铱等金属的冶炼与提纯。稳定氧化锆对钢水也很稳定，可以作为连续铸锭用的耐火材料。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU纯氧化锆是良好的绝缘体，室温电阻率为1013～1014Ω⋅cm，随温度升高，电阻率迅速下降，加入稳定剂可进一步降低电阻率。如果加入少量MgO，1000℃时的电阻率为104Ω⋅cm，1700℃时为6～7Ω⋅cm；加入13mol％CaO后1000℃时的电阻率为13Ω⋅cm。由于其明显的高温离子导电特性，可作为2000℃使用的发热元件，高温电极材料(如磁流体发电装置中的电极)，还可用作产生紫外线的灯。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU此外利用稳定氧化锆的氧离子传导特性，可制成氧气传感器，进行氧浓度的检测。目前，稳定氧化锆陶瓷氧量计，可作为气体、液体或钢水氧含量连续测量装置，也用于对汽车燃料是否充分燃烧的测量与控制。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU陶瓷增韧理论与韧化陶瓷诱导相变增韧相变诱发微裂纹增韧残余应力增韧NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU诱导相变增韧图7.4ZrO2－Y2O3二元相图10002000CTMT+CM+CPSZFSZTZP四方相被亚稳至室温，由于空间限制没有发生相变，处于压应力状态NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU相转变的必要条件：•相变增韧的临界晶粒尺寸条件：存在一个临