工程材料第十章陶瓷材料

1、第十章,陶瓷材料,一、陶瓷材料基本知识,1.,陶瓷材料的含义,陶瓷,陶器、瓷器,玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等,粘土、石灰石、长石、石英,现代陶瓷,各种无机非金属材料,硅酸盐类材料,传统陶瓷,2,陶瓷分类,普通陶瓷,利用天然硅酸盐矿物为原料制成,的陶瓷,(,传统陶瓷,),陶,瓷,材,料,特种陶瓷,利用人工合成原料制成的陶瓷,(,新,型陶瓷或现代陶瓷,),特,种,陶,瓷,结构陶瓷,(,工程陶瓷,),功能陶瓷,3,2.,陶瓷材料的结合键,陶瓷材料的,结合键,：离子键、共价键,一价、二价金属氧化物：,离子键,共价键,MgO,，离子键,84%,，共价键,16%,三价、四价的氧化物、氮化物、碳化物：,离子

2、键,共价键,SiC,，离子键,18%,，共价键,82%,4,二、,陶瓷材料的组织与结构,普通陶瓷的典型组织：晶体相、玻璃相、气相,特种陶瓷组成较单一，如：,Al,2,O,3,(95%),陶瓷,主要晶体相和少量的气相,5,1.,晶体相,晶体相,以化合物或化合物为基的固溶体,主,晶,相,决定陶瓷的性能,次,晶,相,第三晶相,按组成分：,氧,化,物：氧化铝、氧化钛,非氧化物：碳化物、氮化物,含氧酸盐：硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐,6,(1),氧化物晶相,典,型,氧,化,物,萤石结构,(ThO,2,),岩盐结构,(MgO),刚玉结构,(Al,2,O,3,),氧化物的结构及特点,：,氧离子作紧密立方或紧密六方

3、排列；金属离子规则,地分布在四面体和八面体的间隙之中。,7,(2),非氧化物晶相,金属碳化物,共价键和金属键之间的过渡键,以共价键为主。,第一类：间隙相,：,TiC,、,ZrC,、,VC,、,NbC,和,TaC,第二类：复杂碳化物,：,?,斜方结构的,Fe,3,C,、,Mn,3,C,、,Co,3,C,、,Ni,3,C,和,Cr,3,C,2,?,立方结构的,Cr,23,C,6,、,Mn,23,C,6,?,六方结构的,WC,、,MoC,和,Cr,7,C,3,、,Mn,7,C,3,?,复杂结构的,Fe,3,W,3,C,8,氮化物,含有一定的离子键,结构：六方晶格,BN,，六方晶系的,Si,3,N,4

4、,和,AlN,。,硼化物和硅化物,较强的共价健，连成,链,、,网,和,骨架,，构成独立结构,单元。,9,(3),硅酸盐晶体相,普通陶瓷的主要原料，,结合键,：离子键、共价键,构成硅酸盐的基本单元：,硅氧四面体结构,硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结,10,2.,玻璃相,玻璃相产生过程,陶瓷坯体在烧成过程中，由于复杂的物理化学反应，,产生不均匀,(,不平衡,),的酸性和碱性氧化物的熔融液相。,冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时,熔体硬,化，转变为玻璃。,11,玻璃相作用,?,粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；,?,降低烧成温度，加快烧结；,?,阻止晶体转变，抑制其长大；,?,

5、获得透光性等玻璃特性。,不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介,电性能、耐热耐火性等不利。,12,3.,气相,气相是陶瓷内部残留的孔洞；,成因复杂，影响因素多。,陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶,瓷和多孔陶瓷。,气孔对陶瓷的性能不利,（多孔陶瓷除外）,气孔率,普通陶瓷：,510,特种陶瓷：,5,金属陶瓷：,0.5,13,三、,陶瓷材料的性能,1.,力学性能,(1),弹性模量和硬度,材料,橡胶,塑料,铝合金,弹性模量,/MPa,6.9,1380,72300,硬度,/HV,很低,17,170,钢,碳化钛,207000,390000,300800,3000,金刚石,1140000,600010

6、000,14,原因：陶瓷材料牢固的离子键和共价键,(2),强度,陶瓷的强度特征,实际强度比理论值低得多，理论值,E/10E/5,，实际值,(E/1000,E/100),原因,?,晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；,?,晶界上原子间键被拉长,键强度被削弱；,?,相同电荷离子的靠近产生斥力,会造成裂缝；,?,致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。,陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高，,抗压强度很高。,15,(3),塑性,陶瓷在室温下几乎没有塑性,陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大；,共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥,力很大；,在高温慢速加载，特别

7、是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现,出一定的塑性。,(3),韧性,非常典型的脆性材料,冲击韧性：,10kJ/m,2,以下，,断裂韧性值,很低。,16,3.2,物理性能,(1),热膨胀性能,线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低,(2),导热性,由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料,(3),热稳定性,热稳定性很低,(,比金属低得多,),(4),导电性,变化范围很广：由于缺乏电子导电机制,多数陶瓷是良好的绝,缘体,;,不少陶瓷既是离子导体,又有一定的电子导电性,;,许多,氧化物（,ZnO,、,NiO,、,Fe,3,O,4,）是重要的半导体材料。,17,3.3,化学性能,结构非常稳定，很好

8、的耐火材料和坩埚材料：,金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发,生作用；,对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许,多金属的熔体也不发生作用。,18,四、,工程陶瓷简介,1.,普通陶瓷,普通陶瓷,(,传统陶瓷,),以高岭土,(Al,2,O,3,2SiO,2,H,2,O),和长石,(,钾,长石,K,2,O,Al,2,O,3,SiO,2,、钠长石,Na,2,O,Al,2,O,3,6SiO,2,),和石英,(SiO,2,),组,成的，主晶相为莫来石,(,3Al,2,O,3,2SiO,2,),。利用天然硅酸盐矿物为,原料制成的陶瓷，,用途：生活器皿，建筑用瓷、电器绝缘瓷、化工瓷等。,性能特点：具有高的硬度、良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性，,19,2.,特种陶瓷,(1),氧化物陶瓷,Al,2,O,3,(,刚玉,),陶瓷是应用最广的氧化物陶瓷，它具有高的强度和高,温强度、高的化学稳定性和介电性，但热稳定性差。,应用：高速切削工具、量规、拉丝模、绝热材料和坩埚材料等。,(2),碳化物陶瓷,碳化物陶瓷主要有,SiC,、,WC,、,TiC,等。碳化物陶瓷硬度高、熔点,高、抗氧化，但不抗强碱。具有较高的高温强度和热传导能力、,较高的耐