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1、第十章 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。,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,气相是在工艺过程中形成并保留下来的。,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
2、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,普通陶瓷以天然的岩石、矿
3、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。,陶瓷零件,可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。,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。,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, 氧
4、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,
