结构陶瓷材料应用.ppt

1、結構陶瓷材料應用結構陶瓷材料應用沖寶模具有限公司寶模具有限公司地址：廣東省東莞市大朗鎮沙步第二工區電話：0769-83111052傳真：0769-83136260 大綱陶瓷產業的發展(美國、日本)陶瓷材料分類及介紹現代新技術陶瓷主要三大領域(結構陶瓷、陶瓷基複合材料、功能陶瓷)工業陶瓷應用及普遍誤解陶瓷生產方式介紹(結構陶瓷成型、熱等靜壓燒結(HIP)HIP特性介紹及應用領域HIP對機構的價值運用與使用實用HIP陶瓷技術在3C產品的新應用公司簡介陶瓷產業的發展美國工業陶瓷市場規模Freedonia集團公佈美國先進陶瓷市場需求預測報告，報告分析美國對先進陶瓷的需求量將以每年7%的速度增長。電子陶

2、瓷元器件仍為市場主流，複合陶瓷、防彈陶瓷、壓電陶瓷等也繼續保持最佳商機。美國工業陶瓷市場產業別2010年日本工業陶瓷市場規模日本工業陶瓷市場產業別2010年陶瓷材料分類及介紹陶瓷材料分類及介紹陶瓷材料一般分為：傳統陶瓷和現代技術陶瓷兩大類。傳統陶瓷：用天然矽酸鹽粉末(如黏土、高嶺土等)為原料生產的產品。因為原料的成分混雜和產品的性能波動大，僅用於餐具、日用容器、工藝品以及普通建築材料(如地磚、水泥等)，不適用於工業用途。現代技術陶瓷：根據所要求的產品性能，通過嚴格的成份和生產工藝控制而製造出來的高性能材料，主要用於高溫和腐蝕介質環境，是現代材料科學發展最活躍的領域之一。現代新技術陶瓷主要三大領

3、域結構陶瓷、陶瓷基複合材料、功能陶瓷現代新技術陶瓷三個主要領域現代化陶瓷的三個主要領域分別為：1、結構陶瓷2、陶瓷基複合材料3、功能陶瓷結構陶瓷結構陶瓷同金屬材料相比，陶瓷的最大優點是：優異的高溫機械性能、耐化學腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3)；在許多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應用到金屬材料根本無法勝任的場合，如發動機氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等；結構陶瓷可分為三大類：氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷氧化物陶瓷主要包括氧化鋁、氧化鋯、莫來石和鈦酸鋁，最突出優點是不存在氧化問題、原料價格低廉及生產工藝簡單。氧化鋁和氧化鋯具有優異的室溫機械性能、高硬

4、度和耐化學腐蝕性，主要缺點是在1000以上高溫蠕變速率高，機械性能顯著降低。氧化鋁和氧化鋯主要應用於陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高溫爐管、密封圈和玻璃熔化池內襯等。氧化物陶瓷莫來石，室溫強度屬中等水準，但它在1400仍能保持這一強度水準，並且高溫蠕變速率極低，因此被認為是陶瓷發動機的主要候選材料之一。上述三種氧化物也可製成泡沫或纖維狀用於高溫保溫材料。鈦酸鋁陶瓷體內存在廣泛的微裂紋，因而具有極低的熱膨脹係數和熱傳導率。它的主要缺點是強度低，無法單獨作為受力元件,所以一般用它加工內襯用作保溫、耐熱衝擊元件，並已在陶瓷發動機上得到應用。非氧化物陶瓷主要包括碳化矽、氮化矽和賽龍(SIALON)、氮化硅

5、。同氧化物陶瓷不同是以共價鍵結合在一起，因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力。並且能把這些性能大部分保持到高溫，這是氧化物陶瓷無法比擬的。燒結非常困難，必須在極高溫度(15002500)並有燒結助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產品，有時必須借助熱壓燒結法才能達到希望的密度(95%)，所以非氧化物陶瓷的生產成本一般比氧化物陶瓷高。陶瓷軸承非氧化物陶瓷也廣泛應用於陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本較高但高溫韌性、強度、硬度、蠕變抗力優異得多，並且刀具壽命長、允許切削速度高，因而在刀具市場佔有日益重要地位。應用領域還包括輕質無潤滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。陶瓷軸承陶瓷刀具工業陶瓷應用及普遍

6、誤解工業陶瓷應用高技術陶瓷研究的動向是：具有協同結構的陶瓷材料；具有納米晶粒的超級金屬；具有清潔環境減少污染的陶瓷材料；電子工業應用的氧化物陶瓷：與能源相關的陶瓷輕質材料等；為解決陶瓷材料的脆性問題，目前日本在研發陶瓷與鈦合金的複合技術，通過技術處理，在鈦合金內植入羥基磷灰石陶瓷，實現二種材料的複合。工業陶瓷應用生物陶瓷：具有超塑性的陶瓷；人工合成陶瓷關節材料：由於陶瓷與人類的骨頭組織具有一定的親和性，與金屬人工關節相比，陶瓷人工關節具有更大的市場前景。人工關節日本發展高技術陶瓷的戰略步驟，首先是用來製造陶瓷日用品和某些發熱元件，然後再轉變為大量發展高技術陶瓷產品及精密元件。如日立公司最初採用

7、陶瓷薄膜磁頭，既降低產品成本，又提高了磁頭的錄音、演奏與消磁性能。緊接著正式向市場投放陶瓷光碟，產品成功打入東南亞、西歐與美國市場。日本京都陶瓷公司還開始採用高技術陶瓷研製汽車用陶瓷發動機、內燃機零件。採用陶瓷粉末塗敷的汽車零件已大批走入市場，大大提高了大大提高了汽车的工作性能。工業陶瓷應用除發展高溫結構陶瓷材料外，日本非常重視研製表面薄膜陶瓷材料，除應用於機械、化工領域外，也成功生產出覆蓋陶瓷薄膜的金屬工藝品。日本生產的陶瓷剪刀、米酒加熱器、陶瓷手術刀、人造陶瓷關節及瓷器滾珠圓珠筆等，在印尼、泰國、新加坡與馬來西亞很受歡迎。工業陶瓷應用工業陶瓷應用以切削刀具來分析陶瓷刀具的優點：1.硬度高，

8、一般為HRA93-94，因此耐磨性好，可加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料；例如硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，因而可免除退火加工所消耗的電力；並因此也可提高工件的硬度，增長機器設備的使用壽命；2.不僅能對高硬度材料進行粗、精加工，也可進行銑削、刨削、斷續切削和毛坯拔荒粗車等衝擊力很大的加工；工業陶瓷應用（續）3.陶瓷刀片切削時與金屬摩擦力小，切削不易粘接在刀片上，不易產生積屑瘤。加上可以進行高速切削，所以在條件相同時，工件粗糙度會低很多；4.耐高溫，紅硬性好，可在1200下連續切削，所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬質合金高很多，可進行高速切削或實現“以車、銑代磨”，切削效率比

9、傳統刀具高3-10倍，達到節約工時、電力、機床數30-70%或更高的效果；5.陶瓷刀具主要原料是自然界比較豐富的氮、矽、鋁、鋯等，用它代替硬質合金，可節約大量W、Co、Ta和Nb等日益缺乏的金屬元素；工業陶瓷應用工業陶瓷普遍誤解下面是關於工業陶瓷的普遍誤解：1.陶瓷昂貴？生產精密技術陶瓷部件的工藝步驟複雜，因此單個部件的製造成本可能較高於聚合物或金屬部件，但是若考慮總體價格/性能的比值，使用低性能材料的隱形成本包括較短的使用壽命、更批頻繁的維修、故障率的提高、性能的下降和磨損以及噪音的增加；工業陶瓷普遍誤解2.陶瓷易碎？這可能是被問到最普遍的問題，答案是肯定也是否定的。大部份的人對陶瓷的彎曲強

10、度和碎裂強度時都會緊張，可能這是由於我們知道餐盤都很容易摔裂；但是新一代的高技術陶瓷材料具有很高的強度。它們與我們家裏常見的那種陶瓷處於譜圖的兩端。它們與某些標準金屬材料相當，通過很好的設計，根本不用擔心碎裂問題。儘量減小拉伸應力、消除應力提高點、確保壓縮載荷、精確計算應力分佈都會防止發生故障。這種陶瓷材料可以達到最高的機械和物理強度；工業陶瓷普遍誤解（續）摩根技術陶瓷（MTC）公司生產性能獨特的陶瓷部件，可用於車輛和盔甲中。該公司的產品可以滿足最嚴格的城市防彈需求；陶瓷材料非常耐久，還可以在外科手術中為外科醫生和病人提供人造關節。創新的製造技術使這種材料具有了生物相容性和耐久性優勢，其在醫學

11、領域的應用日益廣泛。先進陶瓷用作人造髖關節材料，通常具有20年以上的使用壽命；3.只有形狀簡單的部件才可以量產？自20世紀初使用陶瓷火花塞和絕緣體以來，技術和材料已經出現了重大進展，幹壓、等壓成型、綠色加工和擠出已經成為常見的成型工藝；對於高精度部件的大中型規模的生產，注射成型（CIM）是一種創新的成型工藝，用於各種部件的製造，包括形狀複雜的部件，批次間的品質穩定性及優異處理能力將公差減小到了0.025mm，而且無需用研磨。當部件的複雜程度超出傳統成型工藝的加工能力時，可以採用CIM；工業陶瓷普遍誤解陶瓷生產方式介紹陶瓷材料燒結方式結構陶瓷生產方式生產要求製備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分

12、佈窄的粉體，氧化鋯超細粉末的製備方法很多。提純主要有氯化和熱分解法、鹼金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉澱法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。粉體加工方法有共沉澱法、溶膠一凝膠法、蒸發法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網及氣相沉積法等。結構陶瓷成型與燒結方式結構陶瓷的成型有：壓成型、等靜壓成型、注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、注射成型、塑性擠壓成型、膠態凝固成型等。結構陶瓷可採用的燒結方法通常有:無壓燒結/熱壓燒結和反應熱壓燒結/熱等靜壓燒結(HIP)/微波燒結/超高壓燒結/放電等離子體燒結(SPS)/原位加壓成型燒結等。冷等靜壓燒結溼式乾式結構陶瓷成型與燒結方式熱等靜壓燒結(HIP

13、)熱等靜壓(hotisostaticpressing，簡稱HIP)是一種集高溫、高壓於一體的工藝生產技術，加熱溫度通常為10002000，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，工作壓力可達200MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產品的緻密度高、均勻性好、性能優異，同時該技術具有生產週期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點。熱等靜壓燒結(HIP)熱等靜壓燒結HIP特性介紹及應用領域熱等靜壓燒結(HIP)特性為增強陶瓷的韌性，通常在陶瓷基體中引入纖維或晶須，然而在傳統的燒結過程中因需要很高的燒結溫度和較長的燒結時間，往往會使纖維和晶鬚髮生表面強度的退化，甚至與

14、基體發生化學反應，失去補強增韌的作用。採用熱等靜壓燒結工藝，則大大降低了燒結溫度和保溫時間，可獲得性能優異的纖維或晶須補強陶瓷基複合材料。熱等靜壓燒結(HIP)特性如採用熱等靜壓燒結工藝，在1085攝氏度獲得相對密度高達915的SiC晶須補強SiC陶瓷，其室溫抗彎強度和斷裂韌性分別達到595MPa和67MPam。此外，在陶瓷基體中加入第二相粒子也可提高陶瓷的斷裂韌性，但燒結時因形成內應力造成燒結困難並引起缺陷，熱等靜壓燒結使這一問題得到解決陶瓷進行熱等靜壓燒結，已成功地製備出完全緻密的複合陶瓷。EZU3YA-1，CIP+HIP效能熱等靜壓燒結(HIP)與反應熱壓燒結陶瓷效能相比表耐磨度測試是將

15、試片以2Kg荷重下壓，於鑽石研磨盤上研磨10分鐘後測重推算損失百分比原料名稱(直徑3mm)反應熱壓燒結陶瓷EZU3YA-1，CIP+HIP熱等靜壓燒結(HIP)抗折力(Kgf)29.47459.748耐磨性3.10%1.99%硬度(HV)12671294比重6.056.08EZU3YA-1，CIP+HIP改善應用領域EZU3YA-1，CIP+HIP係一種不影響結構陶瓷特性下，用來提升陶瓷材料韌度及耐磨性的一種陶瓷產品。除了適用於結構陶瓷材料所引用的產業外，對業界所疑慮陶瓷產品易脆折狀態也達到100%的提升主要可引用產業有:Y-TZP磨球、分散和研磨介質、精密沖壓、光學模具、壓鑄產業、光電自動化

16、設備、噴嘴、球閥球座、各類模具、微型風扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、表殼及錶帶、高爾夫球的輕型擊球棒、自動化設備及其他室溫耐磨零器件等。HIP對機構的價值運用與使用實例對機構的價值與運用陶瓷工件擁有的耐腐蝕、抗酸鹼、耐磨、表面光潔度上的優異特性，足能取代地球上99%的金屬。應用到機構上的例子更是不勝枚舉，例如：抗酸鹼性：電鍍設備上的關鍵零件，早已由陶瓷所取代。還有化學產品生產機構等等。EZU3YA-1，CIP+HIP耐磨性：擁有鎢鋼24倍耐磨性的特性，在往復運動的機構上，有極大的取代性。材料的輕質化，對動力的負擔相對降低，更能使設備壽命獲得延續。表面光潔度高：在持續運轉機構內，跳動值與振動值是非常需要注意的部份，工業陶瓷的表面光潔度達到RA0.0005mmRA0.00016mm，將能減少機構工程師的設計顧慮。EZU3YA-1，CIP+HIP對機構的價值與運用結構陶瓷材料是超硬物質，本身具有潤滑性，並且耐磨損，為原子晶體，高溫時抗氧化。而且它還能抵抗冷熱衝擊，在空氣中加熱到1000以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。由於氮化矽陶瓷具有如此優異的特性，人們常常利