第12章陶瓷材料

第12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。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。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，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。共价键离子键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。韧性陶瓷硬度压痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹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。Al2O3粉末的烧结组织ZrO2陶瓷中的气孔二、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。导电玻璃玻璃幕墙2、按使用的原材料分类

可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。

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。陶瓷零件12.2陶瓷材料的结构与性能特点陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中同时存在晶体相玻璃相气相各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。12.2.1.晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相的结合键为离子键共价键混合键氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。氧化物结构的主要特点是氧离子紧密排列构成晶格骨架，组成六方或面心立方点阵，而正离子位于骨架的适当间隙之中。如：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2硅酸盐结构结构很复杂，但基本结构单元为[SiO4]硅氧四面体，结合键为离子键、共价键的混合键；每个氧原子最多只有被两个[SiO4]所共有；Si-O-Si的键角为145℃;[SiO4]既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高聚物之称。有些陶瓷中的晶相也存在同素异构转变。α-石英870℃α-鳞石英1470℃α-方石英1713℃熔融SiO2573℃β-石英163℃β-鳞石英117℃γ-鳞石英180~270℃β－方石英急冷加热石英玻璃SiO2的同素异构转变实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体缺陷，这些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶粒平均尺寸为200μm时，抗弯强度为74MPa，1.8μm时抗弯强度可高达570MPa。陶瓷材料中往往同时存在多种晶相，对陶瓷性能起决定作用的晶相称主晶相，其余为次晶相。玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。２.玻璃相玻璃相的作用将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大填充气孔。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一般<20~40%。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为5~10%，要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。３.气相气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达60％。坯料制备通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团。12.3陶瓷制品的生产陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制备、成型、烧结成型将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。烧结生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变，如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能。脆性的本质与陶瓷材料的结合键有关。陶瓷材料的滑移系较少；位错的柏氏矢量较大；键的结合力较强位错运动的所需要的力大12.4陶瓷材料的脆性及增韧12.4.1陶瓷材料的脆性降低陶瓷的微裂纹尺寸陶瓷的相变增韧纤维增强12.4陶瓷材料的脆性及增韧12.4.2陶瓷材料的脆性的改善12.5常用工业陶瓷

一、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)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(3Al2O3·2SiO2)，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。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。景德镇瓷器绝缘子二、新型结构陶瓷⑴

氧化铝陶瓷

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。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件单相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).

95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚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。

⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。①氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低③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0.1~0.2；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。汽轮机转子叶片气阀等零件⑶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+3C→SiC+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。SiC密封件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。

SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC轴承⑷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。ZrO2氧化锆单相陶瓷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