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1、第十一章陶瓷相关材料第一第一节 概述概述l一、陶瓷材料的特点一、陶瓷材料的特点 l1、陶瓷材料的相、陶瓷材料的相组成特点成特点l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三种不同的相种不同的相组成，成，即晶相即晶相(1)、玻璃相、玻璃相(2)和气相和气相(3)气孔气孔。l料致密度、降料致密度、降低低烧结温度和温度和抑制晶粒抑制晶粒长大。大。l气相是在工气相是在工艺过程中形成并程中形成并保留下来的。保留下来的。l晶相是陶瓷材料中主要的晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物成相，决定陶瓷材料物理化学性理化学性质的主要是晶相。的主要是晶相。l玻璃相的作用是充填晶粒玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘隙、粘结晶粒
2、、提高材晶粒、提高材l2、陶瓷材料的、陶瓷材料的结合合键特点特点l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其硅化物等，因而其结合合键以离子以离子键(如如Al2O3)、共价、共价键(如如Si3N4)及两者的混合及两者的混合键为主。主。共价共价键离子离子键l3、陶瓷材料的性能特点、陶瓷材料的性能特点 l陶瓷材料具有高熔点、高陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学硬度、高化学稳定性，耐定性，耐高温、耐氧化、耐腐高温、耐氧化、耐腐蚀等等特性。特性。l陶瓷材料陶瓷材料还具有密度小、具有密度小、弹性模量大、耐磨性模量大、耐磨损、强度高等特点。度高等
3、特点。l功能陶瓷功能陶瓷还具有具有电、光、光、磁等特殊性能。磁等特殊性能。 韧韧性性性性陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷硬硬硬硬度度度度压压痕痕痕痕脆性陶瓷硬度脆性陶瓷硬度脆性陶瓷硬度脆性陶瓷硬度压压痕周痕周痕周痕周围围的裂的裂的裂的裂纹纹l4、陶瓷材料的工、陶瓷材料的工艺特点特点l陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高粉体成型和高温温烧结来成形的，因此陶瓷是来成形的，因此陶瓷是烧结体。体。l烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的的问题是其存在一定的气孔率。是其存在一定的气孔率。 Al2O3粉末的粉末的烧结组织ZrO2陶瓷中的
4、气孔陶瓷中的气孔l二、陶瓷材料的分二、陶瓷材料的分类l1、按化学成分分、按化学成分分类 l可将陶瓷材料分可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。陶瓷及其它化合物陶瓷。导电玻玻璃璃玻璃幕玻璃幕墙l2、按使用的原材料分、按使用的原材料分类 l可将陶瓷材料分可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷和特种陶瓷。l普通陶瓷以天然的岩石、普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。石、黏土等材料作原料。l特种陶瓷采用人工合成的特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。材料作原料。 l3、按性能和用途分、按性能和用途分类 l可将陶瓷材料分可将陶瓷材料分
5、为结构陶构陶瓷和功能陶瓷两瓷和功能陶瓷两类。 陶瓷零件陶瓷零件第二第二节 常用工常用工业陶瓷陶瓷 l一、普通陶瓷一、普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2)为原料，原料，经成型、成型、烧结而成的陶瓷。而成的陶瓷。l其其组织中主晶相中主晶相为莫来石莫来石(3Al2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，气相占，气相占13%。l普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，成本低，产量大。量大。l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量
6、用于大量用于电器、化工、器、化工、建筑、建筑、纺织等工等工业部部门。 景景德德镇瓷瓷器器绝缘子子二、新型二、新型结构陶瓷构陶瓷l 氧化氧化铝陶瓷陶瓷 l氧氧化化铝陶陶瓷瓷以以Al2O3为主主要要成成分分, 含含有有少少量量SiO2的的陶陶瓷瓷，又又称称高高铝陶瓷。陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、气密封、气动陶瓷配件陶瓷配件单单相相相相AlAl2 2OO3 3陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷组织组织l根根据据Al2O3含含量量不不同同分分为75瓷瓷(含含75%Al2O3，又又称称刚玉玉-莫来石瓷莫来石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后两者又称瓷，后两者又称刚玉瓷。玉瓷。l氧氧化化铝
7、陶陶瓷瓷耐耐高高温温性性能能好好，可可使使用用到到1950,。具具有有良良好好的的电绝缘性性能能及及耐耐磨磨性性。微微晶晶刚玉玉的的硬硬度度极极高高(仅次于金次于金刚石石). 95瓷瓷纺织件件99瓷瓷纺织件件氧化氧化铝耐高温耐高温喷嘴嘴氧化氧化铝陶瓷陶瓷转心球心球阀氧氧化化铝陶陶瓷瓷密密封封环氧化氧化铝陶瓷坩陶瓷坩埚l氧化氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩、坩埚、热偶套管，淬火偶套管，淬火钢的切削的切削刀具、金属拔刀具、金属拔丝模，内燃模，内燃机的火花塞，火箭、机的火花塞，火箭、导弹的的导流罩及流罩及轴承等。承等。 l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶
8、瓷l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面体四面体组成的共成的共 价价键固体。固体。l 氮化硅的制氮化硅的制备与与烧结工工艺l工工业硅直接氮化：硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4l二氧化硅二氧化硅还原氮化：原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO烧结工工艺优点点 缺点缺点 反反应烧结 烧结时几乎没有收几乎没有收缩，能，能得到复得到复杂的形状的形状 密度低，密度低，强度低，耐度低，耐蚀性差性差 热压烧结 用用较少的助少的助剂就能致密化，就能致密化，强度、耐度、耐蚀性最好性最好 只能制造只能制造简单形状，形状，烧结助助剂使高温使高温强度降低度降低 l 性能特点及性能特点及应用用l氮化硅的氮
9、化硅的强度、比度、比强度、比模量高；硬度度、比模量高；硬度仅次于金次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.2；热膨膨胀系系数小；抗数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定定性高。性高。l热压烧结氮化硅氮化硅用于形状用于形状简单、精度要求不高的精度要求不高的零件，如切削刀零件，如切削刀具、高温具、高温轴承等。承等。Si3N4轴承承l反反应烧结氮化硅用于形状复氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的、尺寸精度要求高的零件，如机械密封零件，如机械密封环等。等。汽汽轮机机转子子叶片气叶片气阀等零件等零件l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷l碳化
10、硅是通碳化硅是通过键能很高能很高的共价的共价键结合的晶体。合的晶体。l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加加焦碳直接加热至至高温高温还原而成：原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的碳化硅的烧结工工艺也有也有热压和反和反应烧结两种。由于两种。由于碳化硅表面有一碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很薄氧化膜，因此很难烧结，需添，需添加加烧结助助剂促促进烧结，常加的助，常加的助剂有硼、碳、有硼、碳、铝等。等。常常压烧结碳化硅碳化硅l碳化硅的最大特点是高温碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨度高，有很好的耐磨损、耐腐、耐腐蚀、抗蠕、抗蠕变性能，其性能，其热传导能力很能力很
11、强，仅次于氧化次于氧化铍陶瓷。陶瓷。 SiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、嘴、浇注金属的喉管、注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气偶套管、炉管、燃气轮机叶片及机叶片及轴承，承，泵的密的密封圈、拉封圈、拉丝成型模具等。成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC轴承承l 氧化氧化锆陶瓷陶瓷l氧化氧化锆的晶型的晶型转变：立方相：立方相 四方相四方相 单斜相。四方斜相。四方相相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体斜相非常迅速，引起很大的体积变化，化，易使制品开裂。易使制品开裂。ZrO2氧氧氧氧化化化化锆锆单单相相相相陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷l在氧化在氧化锆中加入某
12、些氧化物中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成能形成稳定立方固溶体，不再定立方固溶体，不再发生相生相变，具有，具有这种种结构的氧化构的氧化锆称称为完全完全稳定氧化定氧化锆(FSZ)，其力学，其力学性能低，抗性能低，抗热冲冲击性差。性差。ZrOZrO2 2陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷耐火件耐火件耐火件耐火件l减少加入的氧化物数量，减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的使部分氧化物以四方相的形式存在。由于形式存在。由于这种材料种材料只使一部分氧化只使一部分氧化锆稳定，定，所以称部分所以称部分稳定氧化定氧化锆(PSZ)。 l部分部分稳定氧化定氧化锆的的导热率率低，低，绝热性好；性好；热膨膨胀系系数大，接近于数大，接近于发动机中使机中使用的金属，抗弯用的金属，抗弯强度与断度与断裂裂韧性高，除在常温下使性高，除在常温下使用外，已成用外，已成为绝热柴油机柴油机的主要侯的主要侯选材料，如材料，如发动机汽缸内机汽缸内衬、推杆、活塞、推杆、活塞帽、帽、阀座、凸座、凸轮、轴承等。承等。 部分部分稳定氧化定氧化锆制品制品氧化氧化锆制品制品氧化氧化锆油油泵氧化柱塞氧化柱塞氧化氧化锆拉拉线轮氧化氧化锆球球阀部分部分稳定氧化定氧化锆喷涂涂层增增韧氧氧化化锆导轮芯芯轴
