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1、陶瓷材料,（Ceramic Materials）,2,工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等，是黏土、石英、长石等硅酸盐类材料制作而成。 现代陶瓷材料的原料已不再是单纯的天然矿物材料，而是扩大到人工化合物，如Al2O3、SiO2、ZrO2等。,3,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、陶瓷材料的分类,1. 按化学成分分类,氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2 碳化物陶瓷：SiC、B4C、WC、TiC 氮化物陶瓷：Si3N4、AlN、TiN、BN 新型氮化物陶瓷：C3N4 硼化物陶瓷：TiB2、Zr
2、B2,5,复合瓷：3Al2O32SiO2（莫来石）、MgAl2O3（尖晶石）、CaSiO3、ZrSiO4、BaTiO3、PbZrTiO3、BaZrO3、CaTiO3 金属陶瓷和纤维增强陶瓷（均属复合材料）,6,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。,2. 按使用的原材料分类,7,3. 按用途分类,4. 按性能分类,日用陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷,高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷等。,8,二、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
3、）和气相（3）（气孔），其显微结构是由原料、组成和制造工艺所决定的。,9,晶相是陶瓷材料的主要组成相，并且决定陶瓷材料物理化学性质的主要也是晶相。 晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。 硅酸盐的基本结构是硅氧四面体（SiO4），构成不同结构的硅酸盐。 大多数氧化物的结构是氧离子密堆的立方和六方结构，金属离子位于其八面体或四面体间隙中。,10,玻璃相是一种低熔点的非晶态固相，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。 玻璃相的组成随着坯料组成、分散度、烧结时间以及炉（窑）内气氛的不同而变化。 玻璃相会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性，故陶瓷中玻璃相的体积分数
4、一般为2040%。,11,气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体，是在工艺过程中形成并保留下来的。 陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密度，提高绝热性和抗振性；对功能陶瓷的光、电、磁等性能也会产生影响。 普通陶瓷的气孔率为体积的510%，特种陶瓷和功能陶瓷为5%以下。,12,2. 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。,13,3. 陶瓷材料的力学性能特点,高硬度，一般为10005000HV，而淬火钢为500800HV，因
5、而具有优良的耐磨性。 弹性模量高，刚度大，是各种材料中最高的。 抗拉强度很低，抗弯强度稍高，抗压强度很高，一般比抗拉强度高10倍。 塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性。,14,3. 陶瓷材料的物理化学性能特点,熔点很高，大多在2000以上，具有很高的耐热性。 线膨胀系数小，导热性和抗热振性都较差，受热冲击时容易破裂。 化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性。 有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶瓷具有半导体性质。 许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能。,15,4. 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形和高温烧结来成形的，因此
6、陶瓷是烧结体。,（1）坯料制备 （2）成形（可塑法、注浆法、压制法） （3）烧结,16,Al2O3粉末的烧结组织,ZrO2陶瓷中的气孔,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。,17,三、常用陶瓷材料,（一）普通陶瓷,普通陶瓷是用黏土（Al2O32SiO22H2O）、长石（K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2）和石英（SiO2）为原料，经成形、烧结而成的陶瓷。 组织中主晶相为莫来石（3Al2O32SiO2），占2530%，玻璃相占3560%，气相占13%。 这类陶瓷质地坚硬、不氧化、耐腐蚀、不导电、加工成形性好、成本低，但强度较低，耐热性及绝
7、缘性不如特种陶瓷。,18,包括日用器皿和瓷器。 一般具有良好的光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。,1. 普通日用陶瓷,19,2. 普通工业陶瓷,改善工业陶瓷性能的方法：,加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等，增加莫来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力。 加入Al2O3、ZrO2等，提高强度和热稳定性。 加入滑石或镁砂，降低热膨胀系数。 加入SiC，提高导热性和强度。,20,用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸较大，要求强度和热稳定性好。,（1）建筑卫生瓷,21,用于化学、石油化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿等。 通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强。,
8、（2）化学化工瓷,22,主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，主要用于制作隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。 要求机械性能高、介电性能和热稳定性好。,（3）电工瓷,绝缘子,23,（二）特种陶瓷,特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。,24,1. 氧化铝陶瓷,氧化铝的结构是O2排成密排六方结构，Al3+占据间隙位置。,25,氧化铝陶瓷成分：Al2O3 + 少量SiO2,实际生产中，根据Al2O3含量不同，氧化铝陶瓷可分为75瓷（含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷）、95瓷和99瓷等几种，后两者又称刚玉瓷。,26
9、,氧化铝熔点达2050，耐高温性能好，可使用到1950，1600高温下长期工作。 广泛用于耐火材料：耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管。,氧化铝热电偶套管,氧化铝耐高温喷嘴,27,氧化铝陶瓷坩埚,28,氧化铝陶瓷的硬度高，耐磨性很好；具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，在高频下的电绝缘性能尤为突出；因此用途极为广泛。,氧化铝陶瓷转心球阀,Al2O3化工、耐磨陶瓷配件,29,95瓷纺织件,99瓷纺织件,氧化铝陶瓷密封环,30,硬度极高，红硬性达1200，可作切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。 很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。 强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5倍），是很
10、好的高温结构材料，如可作内燃机火花塞、空压机泵零件等。,微晶氧化铝（微晶刚玉）,31,2. 氧化锆陶瓷,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。,32,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）。,33,部分稳定氧化锆组织,34,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
11、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。,35,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。,36,氧化锆油泵,氧化锆柱塞,氧化锆拉线轮,部分稳定氧化锆喷涂层,37,氧化锆陶瓷耐火件,氧化锆球阀,增韧氧化锆导轮芯轴,38,3. 氮化硅（Si3N4）陶瓷,氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。,39,（1）氮化硅的制备,工业硅直接氮化： 3Si + 2N2 Si3N4 二氧化硅还原
12、氮化： 3SiO2 + 6C + 2N2 Si3N4 + 6CO,40,（2）性能特点,硬度仅次于金刚石、碳化硼等。 摩擦系数小，仅为0.10.2。 耐磨性好。 抗热振性大大高于其它陶瓷。 化学稳定性高，能耐除氢氟酸、NaOH外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。 绝缘性能优良。,41,（3）氮化硅的烧结工艺,反应烧结：优点是烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状；缺点是密度低，强度低，耐蚀性差。 热压烧结：优点是用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好；缺点是只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低。,42,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。,
13、43,汽轮机转子,叶片气阀等零件,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。,44,4. 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。,45,碳化硅的最大特点是高温强度高，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，工作温度可达1700。 有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。,46,用途：碳化硅陶瓷主要用于制造火箭喷嘴、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。,47,SiC轴承,SiC密封件,
