特种陶瓷复习题

1、特种陶瓷复习参考题.特种陶瓷：采用高度精选的原料， 具有能精确控制的化学组成， 按照便于进行结构设计及控制制造 的方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。主要包括高温、高强、耐磨、耐腐蚀为特 征的结构陶瓷及用以进行能量转换的功能陶瓷和生物陶瓷。由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透 光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等。由于性能特 殊，这类陶瓷要应用于高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术 的重要组成部分。.说明Al 2O3陶瓷的晶型，各种晶型的结构。Al 2O3同质异

2、晶体主要的三种：a- A12O3,aA12O3, 丫 A12O3。1300 c以上的高温几乎完全转变为a- Al 2O3。r AI2O3属尖晶石型(立方)结构，氧原子形呈立方密堆积，铝原子填充在空隙中。&AI2O3是一种A12O3含量很高的多铝酸盐矿物。其结构由碱金属或碱土金属离子如NaO层和A111O12类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，Na完全包含在垂直于C轴的松散堆积平面内。a- A12O3属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体。.说明A12O3的预烧的目的，并说明哪些因素对预烧的影响。预烧的目的：一是使丫 A12O3全部转变为a- A12O3,减少烧成收缩，二是可以排除

3、 A1 2O3 原料中的Na2O,提高原料的纯度，从而保证产品的性能。影响预烧的因素：(1)温度：预烧温度偏低即不完全转变成0- A1 2O3,且电性能降低；预烧温度过高，粉料发生烧结，不易粉碎，且活性降低。(2)气氛：1450 c以下，不同气氛中预烧的A1 2O3,其Na2O的含量不同。.简要说明A12O3瓷的生产工艺过程。原料煨烧-磨细配方加粘结剂成型素烧修坯烧结表面处理。.简述制备透明氧化铝陶瓷的关键，并分析加入MgO的作用。(1)控制氧化铝以体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程。若在烧结过程中晶粒生长过 快就会产生晶界裂缝，许多气孔被晶粒包围。而且当晶粒生长速度大于气孔的移动速度时， 晶体

4、内部包裹的气孔更不易排除。实践表明，加入某些添加物具有抑制晶粒长大的作用。如加入适量的MgO,能获得透明氧化铝陶瓷。由于加入MgO,形成MgO? A1 2O3尖晶石相在A12O3晶只是表面析出，阻止晶界过快迁移。而且MgO在高温下比较容易挥发，奶防止形成封闭气孔，因此限制了氧化铝晶粒的长大。MgO的加入量一般为0.10.5%。根据用不同波长的单色光通过透明氧化铝陶瓷表明，当气孔大小与波长相等时， 光透射主最小。说明气孔的平均尺寸是制作透明陶瓷应该控制的重要因素。在工艺上，A12O3的纯度、细度、成型方法、烧结气氛等，对其透光率也的影响。 对烧结来说，在氢气(或真空)中烧结，由于氢气渗入坯体，在

5、封闭气孔中，氢气的扩散速 度比其它气体大，容易通过 A12O3坯体，气孔比较容易排除，从而提高其透光率。.简述MgO陶瓷的主要制造工艺过程。(1)锻烧分解制取 MgO:从矿物或海水中提取MgO,大多先制成氢氧化镁或碳酸镁，然后经锻烧分解成MgO。(2)预烧：为了降低 MgO的化学活性，应预烧到 11001300C。研磨原料时用的磨球及磨 衬才要采用陶瓷材料制成，不能采用钢球，采用干法研磨以防水化。(3)成型：MgO陶瓷大多采用注浆法进行生产。为了使 MgO在制备料浆时不与水接触， 须先采用无水乙醇等有机液体作选浮介质。将MgO原料用足够量的蒸储水混合形成糊状并充分水化成 Mg(OH) 2,存放

6、一定时间后在 1000c以下烘干，在 14501600c在密封情况 下进行锻烧，保温 8小时，使氢氧化镁重新分解成MgO,然后球磨约4590小时。再加入冷却水继续磨大约 7080分钟，形成悬浮浆料，用于浇注成型。(4)脱模后在70c温度下干燥。MgO烧成：先在1250c温度下进行素烧，再装入刚玉瓷匣钵中在17501800c温度下保温2小时烧结。.说明ZrO 2的结晶形态和晶型转化。在不同温度下ZrO2以三种同质异形体存在，即立方晶系，单斜晶系，四方晶系。1V，八、I r1170oCr c2370oC、 :2715C单斜-ZrO 2四方-ZrO 2乂方-ZrO2减相.非氧化物陶瓷：是由金属的碳化

7、物、氮化物、硫化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷总称。.简述碳化硅陶瓷的几种制造工艺。(1)热压烧结：纯SiC粉热压采用热压一烧结，采用添加Al2O3、AlN、BN、B4C、B+C等作为添加剂。(2)常压烧结：对含有微量氧的3-SiC中添加硼和碳，在 2000c左右，惰性气氛中烧结，可获得98%理论密度的碳化硅烧结体。(3)反应烧结：是由 a-SiC粉和石墨粉按一定比例混合压成坯体后，加热到1650c左右，同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体，使之与石墨起反应生成 aSiC,把原先存在的 “-SiC 颗粒结合起来。(4)浸渍法：将制造 SiC纤维的原料聚碳硅烷作为结合剂加入到 SiC粉末中，然后烧

8、结， 得到多孔SiC制品，再置于聚碳硅烷中浸渍，在 1000c再烧成，其密度增大，如此反复进 行。浸渍三次体积密度过理论密度 8095%。.说明Si3N4的两种晶型及晶型转变。% Si3N4是针状结晶体；&Si3N4是颗粒状结晶体。两者均属六方晶系。都是SiOd四面体共用顶角构成的三维空间网络。伊相是由几乎完全对称的六个SiO4四面体组成的六方环层在C轴方向的重叠而成，而a-相是由两层不同，且有形变的非六方环层重叠而成。将高纯硅在12001300c下氮化，可得到白色或灰白色的a- Si3N4,而在1450c左右氮化时，可得到Si3N4。0- Si3N4在14001600 c下加热，会转变成 伊

9、Si3N4o af附目是建式转变，a和3相除了 在结构上有对称性高低的差别外，并没有高低温之分，3相不过在温度上是热力学稳定的。a相对称性低，容易形成。在高温下a相发生重建式转变，转化为3相。.从原料、添加剂、烧结气氛、埋粉、保温时间、重烧结等几方面说明制备高密度Si3N4在生产工艺中的要求。(1)原料：应采用1师 以下的粉末。使用以a相为主的Si3N4粉料。(2)添加剂：采用复合添加剂，如同时加入丫 2。3、AI2O3对促进烧结的提高产品的商温性能是有利的。(3)烧结气氛：在温度为 19002100c时，相应的N2气氛下，压力15MPa能够保证 有好的烧结性和小于 2%的失重。(4)埋粉：埋

10、粉组成及含量为Si3N4： BN : MgO=70 : 20: 3。不仅的效地抑制失重 ,使失重控制在4%以下，而且能有力地促进烧结。(5)保温时间：13小时。(6)重烧结：是指将含有添加剂的反应烧结氮化硅在一定氮气压力、较高温度下再次 烧结，使这进一步致密化。 重烧结一般加入 MgO、Y2O3、AI2O3、AlN、La2O3、TiO2、Mg3N2 等。添加剂的作用在于高温下形成液相，引起收缩达到致密化， 一般采用的范围为添加剂与Si3N4之比为(415): (8596)。重烧结后，密度一般都在理论密度的90%以上。. Sialon 陶瓷金属氧化物在金属氮化物中的固溶体， 即在Si3N4- A

11、l2O3系统中存在 伊Si3N4的固溶体。 这是由Al2O3的Al、O原子部分地置换了 Si3N4中的Si、N原子因而有效地促进了 Si、N的 烧结。该固溶体即称为Silicon Aluminum Oxynitride ”用其字头即Salon”又称6- Salon。可用化学式表示：6 Si 0.75xAl0.67zOxN8 x X为O原子置换N原子数。.功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类陶瓷通常具有一种或多种功能。如电、磁、光、化学、生物等功能，以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。.电介质陶瓷是指电阴率大于108Q m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。按

12、其在电场中 的极化特性，可分为电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。.说明在制备刚玉一莫来石瓷过程中，各种组分的作用(1)粘土：它赋予坯体良好的可塑性，便于成型。粘土中含有有害杂质较多，随着粘土含量的增加，瓷坯的电性能将显著恶化，因此粘土的用量不可过多。(2)工业氧化铝：工业氧化铝能转化成刚玉，又能与粘土分解后的游离石英生成二次 莫来石。(3)氧化钙：能够增时二次莫来石化的程度，还能与A2O3、SiO2及其它物质生成低熔点的钙玻璃，不但除去了坯体中游离石英还能起助熔作用，促进烧结。(4)氧化镁：也能增进二次莫来石化的程度。由于 MgO能与Al 2O3生成镁铝尖晶石。在Al 2O3含量高的高铝瓷中，抑制刚玉晶

13、体的二次再结晶，使之晶体细小，提高瓷坯性能。MgO还能与Al2O3、Si。及其它物质生成低熔点的玻璃体，不但除去坯体中的游离石英，还 能降低烧结温度，起助熔作用。(5)滑石：滑石在 700900c之间脱水，并析出活性较大的SiO2和MgO- SiO2。这种初生态的物质，具有较大的化合能力，因此能够活跃地与其它物质化合，起到矿化、助熔等 作用。(6)白云石：在锻烧过程分解出CO2,得到活性较大的 CaO及MgO。它们在配方中起前面所述的氧化钙和氧化镁的作用。(7)碳酸钢：与 Al2O3、SiO2等生成低熔点的银玻璃，有利于瓷坯的烧结。15.简述刚玉一莫来石瓷的生产工艺过程细磨-成型-烧结-冷却。

14、细磨：硬质原料先磨，然后加入软质原料及其它化工原料一并再磨。在生产过程中要尽量避免铁质及其它杂质混入， 球磨机中的磨球及磨衬在用莫来石或刚玉质，磨衬也可采用橡胶质，原料细度对制品的烧结温度及性能有很大的影响，细度愈细，烧结温度愈低。成型：由于莫来石及刚玉莫来石瓷坯料的可塑性较差，坯泥最好能陈腐一个时期。必要时还可加入各种有机塑化剂，根据制品的形状及坯料的性质，决定成型方法，如干压、挤压、 车坯、注浆、热压注或等静压等。烧结：莫来石及刚玉莫来石瓷属于液相烧结，在烧成中存在两个问题，一是-A12O3转变成笫A12O3时，体积收缩13%,容易造成坯体开裂，这点可用预烧工业A12O3的方法予以消除。此

15、外，当a- AI2O3与游离SiO2在13001350 c左右生成二次莫来石时，体积膨胀10%左右，很容易导致坯体疏松，产生缺陷，这可由细磨AI2O3得到解决。二是烧成范围窄。这个问题可以采用小截面的隧道窑或其它类型温度均匀的窑炉来烧结，并严格控制烧成制度来解决。冷却：采用快烧快泠工艺可以提高制品的机械性能，这主要是坯体生成微晶结构所致。 16.镁质瓷主要包括哪些？镁质瓷是以含 MgO的铝硅酸盐为主晶相的陶瓷，按瓷坯的主晶相不同，可分为：原顽 辉石瓷(即滑石瓷)、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷扩堇表厂瓷。它们都属于MgO- Al 2O3- SiO2三元系。.简述滑石瓷中几种常用外加剂的主要作用。(1)粘

16、土：加入粘土的目的是为了增加可塑性及降低烧结温曲直，一般加入量为510%。因为量多，带入的碱金属离子及铁质也多，不仅使电气性能恶化，而且还会使烧成范围变窄。(2)碱土金属氧化物：加入少量CaCO3、SrCO3及BaCO3均能改善滑石瓷的电性能，其中BaO的效果最显著，它能提高瓷件的体积电阻率两个数量级。由于碱土金属氧化物与 滑石、粘土及其它杂质生成低共融物，因此奶降低烧结温度，但含量高时又会缩小烧结范围，其中CaO最严重，SrO及BaO稍好。CaO还会导致晶粒粗大，促使瓷坯老化，因此在配方 中CaO的含量要少。此外，BaCO3还能防止瓷件的老化， 但加入量以510%为宜，超过10% 会降低玻璃

17、粘度，缩小烧结范围。MgO还能与滑石分解出的游离石英结合，生成电性能优良的偏硅酸镁(MgO SiO2),既除去了不利的石英，又提高了电性能，部分 MgO可进入 玻璃相，降低烧结温度。MgO的加入量应小于 8%,当超过去10%时，就可能生成镁橄榄石(2 MgO SiO2),不仅提高了烧结温度，还增加了线膨胀系数，降低了热稳定性。MgO的引入一般为未预烧的 MgCO 3及菱镁矿。(3)氧化铝：与游离石英化合成性能优良的硅线石(Al 2O3 - SiO2)。Al2O3还能与SiO2一同转入玻璃相中，除去SiO2,而不降低结温度。因此它能防止瓷坯才能化，改善并稳定瓷的电介性能。(4)硼酸盐：是强的助熔

18、剂，能大幅度降低烧结温度。(5)氧化锚和氧化锌：能有效地扩大材料的结范围和提高材料的机械强度。(6)长石：在配方中加入 67%的长石，烧结范围可以扩大到60C,但长石中含有碱金属氧化物，大大降低了瓷坯的电性能和机械强度，故应严格控制。.铁电陶瓷铁电性是指在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向， 而且电位移矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线现象的特性。铁电陶瓷电具铁电性的陶瓷材料。铁电陶瓷包括压电陶瓷、热释电陶瓷等。.压电陶瓷陶瓷材料是由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微晶不规则集合的多晶体。由于陶瓷体内部的晶粒随机取向，因而陶瓷体内部的自发极化也是随机取向的，整体

19、上表现不出压电效应。在使烧结后的铁电陶瓷具有压电性，必须作人工极化处理。 人工极化是在压电陶瓷上施加直流电场进行极化，极化后陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，因而具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。利用这种压电效应， 将铁电性陶瓷进行极化处理，所获得的制品就是压电陶瓷。20,压电陶瓷的主要生产流程配料球磨过滤、干燥预烧二次球磨过滤、干燥过筛成型排塑烧结 精修上电极烧银极化测试。.热释电效应某些晶体中可以由于温度变化而产生电极化。这种介质因温度变化而引起表面电荷变 化的现象称为热释电效应。又称焦电效应。.制备透明铁电陶瓷，要使陶瓷达到透明需具备的条件（1）具有高致密

20、度（要求体积密度达到理论密度的99%以上）如果陶瓷中残留气孔，则每个气孔都将成为光散射中心，降低了透明度。（2）化学组成均匀，包括不同晶粒的化学组成也应该相同。（3）研磨加工成光学表面。 由于化学和物理的不均匀性都会增加散射，所 以均匀性能是影响透明度的重要因素。.敏感陶瓷敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料之一，用于制作敏感元件。是根据某些陶瓷的电 阻率、电动势等物理时对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感这一特性， 按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏 离，在晶粒

21、表面层产生固溶、偏析及晶格缺陷，在晶界（包括同质粒界、异质粒界及粒间相）处产生异质相的析出，杂质的聚集、晶格缺陷及晶格的各向异性等。这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变化。. Na- 3- Al 2O3导电陶瓷的主要生产工艺利用纯的 Al 2。3粉，按照一定的配比加入纯Na2O （一般用Na2CO3的形式加入）。在1600 c左右温度下合成为 Na-3- Al 2O3O然后再把合成物料进行细碎后，经注浆或等静压 成型后，在17501850 c高温下烧结面制品。原料：原料的纯度十分重要，如存在杂质，很容易发生离子置换，而影响到Na 3AI2O3

22、的性质。Na 3 Al 2O3原料可采用电熔 3 Al 2O3,经脱炭、球磨、酸洗、烘干。烧结：因为Na-3- Al 2O3一般是很难烧结的，而且强度不高会影响到使用，因此在不 影响其性质时，可以适当加入一些添加物，降低其烧结温度，并改善其性能。由于坯料中的钠含量低于 Na- 3-A2O3的化学式量（Na2O、 11Al2O3）,故需加入一定时的 Na2CO3,使 组成中的钠含量增加到 7.5wt%。为了降低烧结温度，改善钠离子导电性能，需加入 2.5wt% 的MgO。坯料在球磨罐中混和后，烘干、加结合剂、造粒、成型。烧结时为了防止tWj温钠的烝发，需要用3 Al?O3制成内林，Na3 Al

23、2O3陶瓷放入其中，外面用刚玉砂制成的林包装密封。烧结是在钠气氛的保护下，在17701800c温度下进行，保温时间一般在 4560分钟。.简述ZrO2的稳定化用单纯的ZrO2是很难生产ZrO2陶瓷的，由于发生晶型转变，且伴随有7%左右的体积变化，一般都会开裂。实践中发现，加入其些适量的氧化物（例如丫2O3、CaO、MgO、CeO等）后，可以稳定 ZrO2,而且形成稳定的立方型结晶固溶体，这种立方固溶体的ZrO2就称为稳定ZrO2,加入的氧化物称为稳定剂，制备稳定ZrO2的过程叫ZrO2的稳定化。对稳定剂有一定要求。即加入氧化物离子半径与Zr4+离子半径之比相差在 12%以内，如果添加进去的离子半径太大，不能进到ZrO2的晶格中去，不能发生固溶形成稳定型立方结构。如果添加的离子半径太小，虽然易进入结格，但又容易失掉，也不能形成稳定的产方结 构