工程材料-陶瓷材料

1、 黄静 刘爱民 陶瓷材料共三十九页共三十九页共三十九页共三十九页陶瓷材料陶瓷材料的结构与性能常用(chn yn)的工程结构陶瓷材料金属陶瓷共三十九页一、陶瓷材料的结构(jigu)与性能1、陶瓷的概念 陶瓷是陶器与瓷器的总称，亦称为 无机非金属材料，是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、氟化物）为原料，经粉碎、配置、成型和高温烧制而成的无机非金属材料。 简单来说，陶瓷材料就是除金属、高聚物以外(ywi)的无机非金属材料的通称。共三十九页2、陶瓷材料的发展陶器瓷器（传统陶瓷）先进(xinjn)陶瓷（微米级）纳米陶瓷高铝质粘土和瓷土(ct)的应用、釉

2、的发明、高温技术的发展原料纯化、陶瓷工艺的发展、陶瓷理论的发展显微结构分析的进步、性能研究的深入、无损评估的成就、相邻学科的推动共三十九页共三十九页3、陶瓷材料的分类 按使用的原材料可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷（先进陶瓷）； 按用途可分为日用陶瓷和工业(gngy)陶瓷； 按化学组成可分为氮化物陶瓷、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷以及其它化合物陶瓷， 按性能又可分为高强度陶瓷、高温陶瓷、耐酸陶瓷、耐磨陶瓷等。 按组织形态的不同可将陶瓷材料分为无机玻璃、微晶玻璃和陶瓷。 共三十九页釉：是覆盖在陶瓷制品表面的无色或有色的玻璃质薄层，是用矿物原料(yunlio)（长石、石英等）和化工原料(yunlio

3、)按一定比例配合（部分原料(yunlio)可先制成熔块）经过研磨制成釉浆，施于坯体表面，经一定温度煅烧而成。能增加制品的机械强度、热稳定性和电介强度，还有美化器物、便于拭洗、不被尘土腥秽侵蚀等特点。3、陶瓷(toc)的制造工艺共三十九页 陶瓷的生产制作过程一般都要经过坯料制备、成型(chngxng)与烧结三个阶段。 （1）坯料制备原料： 天然的岩石、矿物、粘土 一般要经过原料粉碎精选（去掉杂质） 磨细（达到一定粒度） 配料（保证制品性能） 脱水（控制坯料水分） 炼坯、陈腐（去除空气）等过程。 高纯度可控、人工合成的粉状化合物 制取微粉：机械粉碎法、溶液沉淀法、气相沉积法。 共三十九页（2）成型

4、 原料经过坯料制备后，依成型工艺的要求(yoqi)，可以是粉料、浆料或可塑泥团。陶瓷制品的成型方法可塑法又称为塑性料团成型法，是在坯料中加入一定量的水或塑化剂使其成为具有良好塑性的料团，然后利用料团的可塑性通过手工或机械成型。常用的工艺有挤压成型和车坯成型。注浆法又称为浆料成型法，是先把原料配置成浆料，然后注入模具中成型，分为一般注浆成型和热压注浆成型。压制法又称为粉料成型法，是将含有一定水分和添加剂的粉料在金属模中用较高的压力压制成型。共三十九页（3）烧结 未经烧结的陶瓷制品成为生坯。生坯是由许多固相粒子堆积起来的聚集体，颗粒间除了点接触外，尚存在许多空隙，因此强度不够，必须经过高温烧结后才

5、能使用。 烧结是指生坯在高温加热(ji r)时发生一系列的物理和化学变化，并使生坯体积收缩，强度、密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。 常用的烧结方法有热压或热等静压法、液相烧结法、反应烧结法。共三十九页4、陶瓷(toc)的结构 陶瓷材料通常(tngchng)由三种不陶瓷材料通常(tngchng)由三种不同的相组成，即晶 相（1）、玻 璃 相（2）、气相（3） 【气孔】同的相组成，即晶相（1）、玻璃相（2）、气相（3） 【气孔】陶瓷的组织（电子显微照片）共三十九页晶体相 晶体相是陶瓷的主要组成相，其结构、数量、形态和分布决定了陶瓷的物理和化学性质(huxu xngzh)

6、。 陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物三种。硅酸盐（普通陶瓷的主要原料，陶瓷组织中重要的晶体相） 结合键为离子键与共价键的混合键，结构细节复杂，但其基本结构一般遵循严格的规律，使构成硅酸盐的基本单位SiO4四面体可以构成岛状、链状、层状和骨架状等硅酸盐结构。 共三十九页各种硅酸盐晶体的结构(jigu)形状共三十九页氧化物（大多数陶瓷，特别是特种陶瓷的主要组成(z chn)相和晶体相） 结合键主要由离子键结合； 陶瓷中最重要的氧化物晶体有AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4(A、B均为金属阳离子)，其共同的结构特点为：氧离子紧密排列构成晶格骨架，常占据晶格结点和面心位置，而直径

7、较小的金属阳离子填充于晶格间隙之中。 一般金属离子填充的间隙主要有两种，分别为四面体和八面体间隙。共三十九页非氧化合物（金属陶瓷的重要组成和晶体相） 结合键以共价键为主，并含有一定成分的金属键和离子键； 它们的晶体结构通常(tngchng)都比较复杂。玻璃相 陶瓷中玻璃相的作用有以下四点： 粘结晶粒，填充晶粒间隙，提高材料的致密度； 降低烧结温度，加快烧结过程； 阻止晶体转变，抑制晶粒长大；， 获得 一定程度的玻璃特性，如透光性等。气相 是在工艺过程中形成并保留下来的； 除非有特殊要求，一般气孔的存在对陶瓷的性能都是不利的，它降低了陶瓷的强度，常常是造成裂纹的根源，应尽量使其含量降低； 一般普

8、通陶瓷的气孔率为5-10，特种陶瓷在5以下，金属陶瓷则要求低于0.5。共三十九页6、陶瓷(toc)的性能陶瓷(toc)的力学性能陶瓷的物理化学性能刚度最大 （弹性模量最高）；硬度最高；实际强度比理论强度低1-2个数量级；常温下几乎没有塑性，韧性极低、脆性极高（极典型的脆性材料）。热膨胀性能：线胀系数低于高聚物和金属；导热性：比金属差，多为较好的绝热材料；导电性：良好的绝缘体热稳定性：很低，比金属低得多；高化学稳定性：耐火（离子晶体为主），耐酸、碱、盐腐蚀（为良好的坩埚材料）。共三十九页 （1）刚度和硬度 由P43-P44表1-17和表1-18可看出，陶瓷在各类材料中弹性模量、硬度都是最高的，即

9、刚度 和硬度在同类材料中最高。 结合键强度大（离子键、共价键） 弹性模量高、硬度高 刚度、硬度大 （2）强度 陶瓷的理论强度应为弹性模量的1/10-1/5，但实际强度却只有1/1000-1/100，甚至更低？ 答：陶瓷的组织不如金属纯，存在很多的缺陷，尤其是晶界，其破坏作用比在金属中更大：晶界上存在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(dinh)离子的靠近产生斥力，可能造成显微裂纹。 提高陶瓷强度的措施？增大陶瓷的致密度，减少缺陷，降低和消除晶界的不良作用。 陶瓷材料的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度更高。共三十九页 （3）韧性和脆性 陶瓷材料是非常典型的脆

10、性材料，这是其致命的弱点和障碍。 改善陶瓷的韧性？ 通过晶须或纤维增韧； 异相弥散强化(qinghu)增韧； 相变增韧； 显微结构增韧（纳米化等）； 表面强化增韧（表面微氢化技术、激光表面处理、离子注入 表面改性等技术）， 复合增韧（将两者或两者以上的增韧机理结合在一起）。 总之，陶瓷材料具有不可燃烧性、不老化性、高刚度、高硬度、高耐热性、高化学稳定性，但韧性差、脆性高、拉伸弯曲性能差。共三十九页二、常用的工程(gngchng)结构陶瓷材料普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土（Al2O32SiO2 2H2O）、长石（K2O Al2O3 6SiO2；Na2O Al2O3 6SiO2 ）和石英（ SiO2

11、）为原料(yunlio)，经成型、烧结而成的陶瓷。 其组织中主晶相为莫来石（ 3Al2O32SiO2 ），占25-30 ，玻璃相占35 -60 ，气相占1 -3 。 普通陶瓷加工成型性好，成本低产量大。共三十九页除日用陶瓷、瓷器外，大量应用于电器(dinq)、化工、建筑、纺织等工业部门。绝缘子景德镇瓷器(cq)共三十九页特种陶瓷（一）氧化物陶瓷1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要(zhyo)成分，含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。 共三十九页 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。 Al2O3含量越高性能越好

12、，但工艺也越复杂、成本越高。 氧化铝陶瓷耐高温性能(xngnng)好，可使用到1950 ，具有良好的电绝缘性和耐磨性。微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石）。95瓷纺织(fngzh)件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴共三十九页2、氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变(zhunbin)：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，很容易使制品开裂。氧化锆单相(dn xin)陶瓷共三十九页 部分稳定氧化锆的导热路低，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，已经(y jing)成为绝热柴油机的主要候选材料，如发动机气缸内衬、推杆、活塞帽、阀

13、座、凸轮、轴承等。共三十九页3、氧化镁/钙陶瓷 通常是由热白云石（镁/钙碳酸盐）矿石除去CO2而制成的。 常用作炉衬的耐火砖。4、氧化铍陶瓷 除具有一般陶瓷的特性外，氧化铍陶瓷最大的特点(tdin)是导热性好。 常用于制造坩埚。5、氧化钍/铀陶瓷 是具有放射性的一类陶瓷。共三十九页（二）氮化物陶瓷1、氧化硅陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成(z chn)的共价键固体。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0.1-0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其它陶瓷材料；化学稳定性高。 不同烧结工艺所得到的氧化硅陶瓷各有其优缺点： 反应烧结氧化硅陶瓷主要用于制作形状

14、复杂、精度要求高的零件，如石油、化工泵的密封环、高温轴承等； 而热压烧结氧化硅陶瓷只能用于制造(zhzo)形状简单、精度要求不高的零件，如切削道具。共三十九页2、氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的主晶相是BN，属于共价晶体。其晶体结构与石墨相仿，为六方晶格，故有白石墨之称。 此类陶瓷具有良好的导热性和耐热性；热膨胀系数小；绝缘性好；化学稳定性高；有自润性。（三）碳化物陶瓷1.碳化硅（SiC）陶瓷 碳化硅是用石英砂（SiO2 ）加焦炭直接加热至高温还原而成： SiO2 + 3C SiC + 2CO 氮化硅的烧结(shoji)工艺也有热压和反应矛烧结(shoji)两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜 ，因此很

15、难烧结(shoji)，需添加烧结(shoji)助剂促进烧结(shoji)，常加的助剂有硼、碳、铝等。 共三十九页 碳化硅陶瓷用于制造(zhzo)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。共三十九页2、碳化硼陶瓷 硬度极高、抗磨粒磨损能力极强，因此主要用于制作磨料，有时(yush)用于超硬质材料。3、其它碳化物陶瓷 碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钨等陶瓷的熔点和硬度很高，所以通常作高温材料。 （四）硼化物陶瓷 最常见的硼化物陶瓷包括硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨等。 特点是硬度高、耐蚀性好。共三十九页三、金属陶瓷(jn sh to c)（硬质合金）

16、 金属陶瓷是以金属氧化物或金属碳化物为主要成分，再加入适量的金属粉末通过粉末冶金方法制成，具有金属某些性质(xngzh)的陶瓷。一、粉末冶金方法及其应用 金属材料利用粉末经过压制成型并经烧结而制成零件或毛坯的方法称为粉末冶金法。 主要应用： 1、减磨材料 2、结构材料 3、高熔点材料共三十九页二、金属陶瓷 1、硬质合金的性能特点高硬度、耐磨性好、高热硬性，这是硬质合金的主要性能特点。抗压性能好、弹性模量高此外，硬质合金还有良好耐蚀性和抗氧化性，热膨胀因素比钢低。抗弯强度低、脆性大、导热性差是硬质合金的主要缺点。 2、硬质合金的分类、编号和应用 （1）硬质合金分类及编号 钨钴类硬质合金 是由碳化

17、钨、碳化钛和钴组成，常用代号(diho)有YG3、YG6、YG8等。数字表示钴的质量百分含量。 钨钴钛类硬质合金 是由碳化钨、碳化钛和钴组成，常用代号有YT5、YT15、YT30。数字表示碳化钛的质量百分含量。 硬质合金中碳化物的含量越多、钴含量越少，则硬质合金的硬度、热硬性及耐磨性越高，但强度及韧性越低。 共三十九页通用硬质合金 是在成分中添加TaC或NbC来取代部分TiC。常用代号有YW1、YW2。（2）硬质合金的应用 硬质合金有着广泛的应用：切削刀具、冷作模具、量具和耐磨(nai m)零件等。共三十九页三、钢结硬质合金钢结硬质合金是以一种或几种碳化物（WC、TiC）等为硬化相，以合金钢粉

18、末为粘结剂，经配料、压型、烧结(shoji)而成。钢结硬质合金具有与刚一样的可加工能力，可以锻造、焊接和热处理。脆性大、韧性低、难以加工成型是制约工程结构陶瓷发展及应用的主要原因。共三十九页陶瓷材料出题(ch t)四、简答题试概括陶瓷材料的性能特点。答：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。一些特种陶瓷还具有电、光、磁等特殊(tsh)性能。脆性大是陶瓷材料的最大缺点，是其作为结构材料的主要障碍。一、名词解释陶瓷材料答：陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。二、填空题陶瓷的典型组织由 晶体相 、 玻璃相 、 气相 三部分组成。三、选择题下列关于陶瓷中玻璃相作用的说法，不正确的一项是（）A使获得一定程度的玻璃特性B提高材料的致密度C促进晶体长大D降低烧结温度，加快烧结过程 答案：C共三十九页谢谢(XI XIE)！共三十