加2-陶瓷材料

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1、第加2章 陶瓷材料,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。,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。,第一节 概述,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。,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。,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,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

2、键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。,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。,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。,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。,2、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为普通陶

3、瓷和特种陶瓷。,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。,陶瓷零件,第二节 常用工业陶瓷,一、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)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(3Al2O32SiO2)，占2530%，玻璃相占3560%，气相占13%。,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。,二、新型结构陶瓷,

4、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。,单相Al2O3陶瓷组织,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).,氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、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。, 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。 氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化：3Si+2N2S

5、i3N4 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO, 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0.10.2；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。,Si3N4轴承,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。, 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+3CSiC+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

6、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。,常压烧结碳化硅,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。,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。, 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。,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

7、差。,ZrO2陶瓷耐火件,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)。,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。,部分稳定氧化锆组织,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。,部分稳定氧化锆制品,氧化锆制品,2018年10月20日星期六,25,基

8、本概念,传统陶瓷材料是粘土、石英、长石等硅酸盐类材料。现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。其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（Al2O3、SiO2、ZrO2等）。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,26,一、陶瓷的分类（化学成分）,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； 新型碳化物陶瓷C3N4； 硼化物陶瓷TiB2、ZrB2； 复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷3Al2O32SiO2(莫来石)、MgAl2O3(尖晶石)、C

9、aSiO3、ZrSiO4、BaTiO3、PbZrTiO3、BaZrO3、CaTiO3等。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,27,一、陶瓷的分类(原料-用途-性能),原料：普通陶瓷（硅酸盐材料）特种陶瓷（人工合成材料） 用途：日用陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷 性能：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。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,28,一、陶瓷的结构（晶相）,陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。其显微结构是由原料、组成和制造工艺所决定的。 晶相是陶瓷材料的主要组成相，是化合物或固溶体。晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧

10、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。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,29,二、陶瓷的结构（玻璃相）,玻璃相是一种低熔点的非晶态固相。它的作用是粘接非晶态晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大等。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一般为20%40%。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,30,二、陶瓷的结构（气相）,气相（气孔）

11、是指陶瓷孔隙中的气体。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5%10%，特种陶瓷和为功能陶瓷5%以下。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,31,二、陶瓷的结构,3 陶 瓷,陶瓷显微组织示意图,2018年10月20日星期六,32,三、陶瓷材料的性能（力学性能 ）,高硬度，一般为10005000HV，而淬火钢为500800HV，因而具有优良的耐磨性；陶瓷的弹性模量高，刚度大，是各种材料中最高的。由于晶界的存在，陶瓷的实际强度比理论值要低的多

12、；陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度稍高，抗压强度很高，一般比抗拉强度高10倍。陶瓷的塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,33,三、陶瓷材料的性能（物理化学性能 ）,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、电磁性能等。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,34,四、陶瓷的生产工艺与粉末冶金,生产过程：原料配制：粉末制备方

13、法、特点坯料成型：成型方法制品烧结：分类后加工处理： 粉末冶金材料：零件材料：分类工具材料：分类,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,35,四、常用陶瓷材料(工程结构陶瓷材料 ),（一）普通陶瓷：以粘土、长石、石英等为原料烧结而成的陶瓷。这类陶瓷质地坚硬、不氧化、耐腐蚀、不导电、成本低，但强度较低，耐热性及绝缘性不如其它陶瓷。普通工业陶瓷有建筑陶瓷、电瓷、化工陶瓷等。电瓷主要用于制作隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。化工陶瓷主要用于化学、石油化工、食品、制药工业中制造实验器皿、耐蚀容器、反应塔、管道等。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,36,四、常用陶瓷材料(工程结构陶瓷材料

14、 ),（二）特种陶瓷 1氧化铝陶瓷 Al2O3少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。 硬度很高，耐磨性很好。耐高温，1600高温下长期工作。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。氧化铝陶瓷的韧性低，脆性大，抗热振性差。还具有光学特性和离子导电特性。 用于制作：装饰瓷，内燃机的火花塞，电路基板，管座，石油化工泵的密封环，机轴套，导纱器，喷嘴，火箭、导弹的导流罩，切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石，耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等。还可用于制作人工骨骼，透光材料，激光振荡元件，微波整流罩，太阳能电池

15、材料和蓄电池材料等。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,37,四、常用陶瓷材料(工程结构陶瓷材料 ),（二）特种陶瓷 2氮化硅陶瓷 以Si3N4为主要成分的陶瓷。 氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能。 用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,38,四、常用陶瓷材料(工程结构陶瓷材料 ),（二）特种陶瓷 3碳化硅陶瓷 以SiC为主要成分的陶瓷。

16、 具有很高的高温强度，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。制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,39,四、常用陶瓷材料(工程结构陶瓷材料 ),（二）特种陶瓷 4氮化硼(BN)陶瓷 分低压型和高压型两种。低压型BN其硬度较低，具有自润滑性，具有良好的高温绝缘性、耐热性、导热性，化学稳定性好。用于耐热润滑剂、高温轴承、高温容器、坩埚、热电偶套管、散热绝缘材料、玻璃制品成型模等。高压型BN为立方晶系、硬度接近金刚石，用于磨料和金属切屑刀具。,3 陶 瓷,2018年10月20日星期六,40,