第十二章 陶瓷材料

1、l工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。 l陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無(wú)機(jī)非金屬材料通稱(chēng).l陶瓷材料的性能特點(diǎn) l陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。l陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。l功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。 l陶瓷材料的工藝特點(diǎn)l陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過(guò)粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來(lái)成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。l燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問(wèn)題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結(jié)組織粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔

2、l陶瓷材料的分類(lèi)l1、按化學(xué)成分分類(lèi) l可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電玻璃玻璃幕墻玻璃幕墻l按使用的原材料分類(lèi) l可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。l普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料.l特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。 l3、按性能和用途分類(lèi) l可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類(lèi)。 陶瓷零陶瓷零件件l陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價(jià)鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價(jià)鍵共價(jià)鍵離子鍵離子鍵 陶瓷材料的特點(diǎn)陶瓷材料的特點(diǎn) l1、陶瓷材料的

3、相組成特點(diǎn)l陶瓷材料通常由三種不同的相組成，即晶相(1)、玻璃相(2)和氣相(3)氣孔。 材料致密度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長(zhǎng)大.l氣相是在工藝過(guò)程中形成并保留下來(lái)的。l晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。l玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高l一般都要經(jīng)歷三個(gè)階段：坯料制備、成型與燒結(jié)。l坯料制備：l采用天然巖石、礦物、粘土等作為原料時(shí)，經(jīng)過(guò)原料粉碎精選磨細(xì)配料脫水煉坯、陳腐等過(guò)程l采用高純度可控的人工合成粉末化合物作原料時(shí)，在坯料制備之前如何獲得成分、純度和粒度均達(dá)到粉狀化合物是坯料制備的關(guān)鍵。l成型成型l按坯料的性能分為三類(lèi)：可塑法、注漿法和壓制法l

4、燒結(jié)燒結(jié)l燒結(jié)方法有：熱壓或熱等靜壓法;液相燒結(jié)法；反應(yīng)燒結(jié)法l12.5.1陶瓷材料的脆性l脆性是陶瓷材料的特征，在外力作用下，斷裂無(wú)先兆。直觀表現(xiàn)是抗機(jī)械沖擊性差，抗溫度急變性差。脆性的本質(zhì)與陶瓷材料主要是共價(jià)鍵、離子鍵有關(guān)。陶瓷的理論屈服強(qiáng)度雖然很高，但實(shí)際斷裂強(qiáng)度都很低，這與陶瓷內(nèi)存在大量微裂紋，引起應(yīng)力集中有關(guān)。l陶瓷的抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的15倍，因?yàn)閴嚎s時(shí)，微裂紋或閉合或緩慢擴(kuò)展。而拉伸時(shí)，裂紋達(dá)到臨界尺寸就將失穩(wěn)，立即斷裂。l因?yàn)樘沾刹牧嫌泻芨叩拇嘈?所以不能廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域.l提高了陶瓷的裂韌性,也就提高了陶瓷的抗拉強(qiáng)度.l為了提高陶瓷的裂韌性,工程上有三種方法:降低陶瓷的微裂

5、紋尺寸，相變?cè)鲰g和纖維增韌l1、普通陶瓷、普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、長(zhǎng)石、長(zhǎng)石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。l其組織中主晶相為莫來(lái)石其組織中主晶相為莫來(lái)石(3Al2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，氣相占，氣相占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，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門(mén)

6、建筑、紡織等工業(yè)部門(mén). 景德鎮(zhèn)瓷器景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子絕緣子l隨著世界范圍內(nèi)電子信息技術(shù)的高速發(fā)展和新材料技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，將會(huì)為包括現(xiàn)代陶瓷材料在內(nèi)的新材料提供更多的發(fā)展空間。l在焊接技術(shù)領(lǐng)域中，特殊性能的陶瓷材料起到了關(guān)鍵性的作用。人們開(kāi)發(fā)研制了陶瓷襯墊來(lái)應(yīng)用于環(huán)形焊縫的焊接。采用CO2焊和埋弧焊等焊接工藝輕松地實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成型，提高了焊縫的成型質(zhì)量，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提高。l現(xiàn)如今陶瓷襯墊不僅大量應(yīng)用于船舶、橋梁制造業(yè)，而且在鋼管工程、化工機(jī)械、壓力容器等行業(yè)中也迅速推廣。l陶瓷材料在工業(yè)技術(shù)中發(fā)揮了巨大的作用l功能陶瓷具有電磁、光學(xué)、機(jī)械、生物及化學(xué)等各種卓越功能，廣泛應(yīng)用于傳感器

7、、發(fā)光材料、光導(dǎo)材料、激光材料、電子元器件，磁記錄等信息產(chǎn)業(yè)中。l國(guó)防軍工領(lǐng)域中，陶瓷材料發(fā)揮了關(guān)鍵作用。l生物陶瓷是在人體內(nèi)化學(xué)穩(wěn)定性好，組織相容性好的一類(lèi)陶瓷。其抗壓強(qiáng)度高，易于高溫消毒，是牙、骨、關(guān)節(jié)等硬組織良好的置換修復(fù)材料，但脆性大，成形加工較困難是其主要缺點(diǎn)。l先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料在航天飛機(jī)上有廣泛的運(yùn)用l陶瓷材料在環(huán)境保護(hù)中做出了貢獻(xiàn)l廢氣的處理是環(huán)保的重要方面，將廢氣轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氣體需要多孔或蜂窩狀的陶瓷作為轉(zhuǎn)化器的載體材料或催化載體一體化材料。其他各種高溫吸附、分離和催化材料等也是由特種陶瓷材料制成的。清潔能源如太陽(yáng)能、核能、燃料電池等也均離不開(kāi)無(wú)機(jī)非金屬材料如陶瓷材料。l金屬陶

8、瓷金屬的塑性及抗熱震性好，但容易氧化，高溫強(qiáng)度不高；陶瓷的耐熱性及耐蝕性強(qiáng)，但脆性大。金屬陶瓷就是將二者結(jié)合起來(lái)制成的優(yōu)異新材料。金屬陶瓷的陶瓷相是氧化物、碳化物、硼化物、氮化物l氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 l氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成為主要成分分, 含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又的陶瓷，又稱(chēng)高鋁陶瓷。稱(chēng)高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、氣動(dòng)陶密封、氣動(dòng)陶瓷配件瓷配件l據(jù)據(jù)Al2O3含量不同分為含量不同分為75瓷瓷(含含75%Al2O3，又稱(chēng)剛，又稱(chēng)剛玉玉-莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后兩者又稱(chēng)剛玉瓷瓷，后兩者又稱(chēng)剛玉瓷.l氧化鋁

9、陶瓷耐高溫性能好，可使用到氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950,。具。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高極高(僅次于金剛石僅次于金剛石). 95瓷紡織件瓷紡織件99瓷紡織件瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝l氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝堝、熱偶套管熱偶套管, , 淬火鋼的淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩

10、及軸承等。導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。 l氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷l氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相 四方相四方相 單斜相單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆伲姆较噢D(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆伲?引起很大的體積引起很大的體積變化，易使制品開(kāi)裂。變化，易使制品開(kāi)裂。ZrO2l在氧化鋯中加入某些氧化物在氧化鋯中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱(chēng)為完全穩(wěn)定氧化鋯這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱(chēng)為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差.l減少加入的氧化物數(shù)量，使減

11、少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的形式部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱(chēng)部部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱(chēng)部分穩(wěn)定氧化鋯分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。 氧化鋯油泵氧化鋯油泵氧化柱塞氧化柱塞氧化鋯拉線輪氧化鋯拉線輪氧化鋯球閥氧化鋯球閥部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層增韌氧化鋯導(dǎo)輪芯軸增韌氧化鋯導(dǎo)輪芯軸l氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻

12、力，從而大幅度提高陶瓷材料的裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯組織l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面體組成的共四面體組成的共 價(jià)鍵固體。價(jià)鍵固體。l 氮化硅的制備與燒結(jié)工藝氮化硅的制備與燒結(jié)工藝l工業(yè)硅直接氮化：工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4l二氧化硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO燒結(jié)工藝燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) 燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能得到復(fù)雜的形狀得到復(fù)雜的形狀 密度低，強(qiáng)度低，耐蝕密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差性差

13、 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 用較少的助劑就能致密化，用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好強(qiáng)度、耐蝕性最好 只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低 l 性能特點(diǎn)及應(yīng)用性能特點(diǎn)及應(yīng)用l氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.10.2；熱膨；熱膨脹系數(shù)小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化脹系數(shù)小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。學(xué)穩(wěn)定性高。l熱壓燒結(jié)氮化硅熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡(jiǎn)單、用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的精度要求不高的零件，如切削刀零件，

14、如切削刀具、高溫軸承等具、高溫軸承等.Si3N4軸承軸承l(wèi)反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機(jī)械密封環(huán)等。零件，如機(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零葉片氣閥等零件件l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷l碳化硅是通過(guò)鍵能很高碳化硅是通過(guò)鍵能很高的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱加焦碳直接加熱至高溫還原而成：至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一層

15、薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等.常壓燒結(jié)碳化硅常壓燒結(jié)碳化硅l碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造火箭噴碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉片及軸承，泵的

16、密封圈、拉絲成型模具等。絲成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承SiC陶瓷件陶瓷件l目前,國(guó)外應(yīng)用領(lǐng)域主要有：l陶瓷被覆電線 隨著電器設(shè)備的發(fā)展，對(duì)電線的適應(yīng)要求越來(lái)越嚴(yán)格。以往有涂覆有機(jī)絕緣材料的電線。但它的耐熱性和抗撓強(qiáng)度等都存在局限性。日本新近研制出一種陶瓷被覆電線，其耐熱性是原來(lái)的25倍，既使在500。C以上的高溫下使用，也不會(huì)產(chǎn)生氣體，并可在真空下使用。 由于這種陶瓷被覆電線的外徑和重量都大幅度減小， 因此為機(jī)器的小型、輕量化開(kāi)辟了道路，可廣泛用于汽車(chē)，原子能及航空航天等領(lǐng)域。l超聲波鉆配用一種可將切削液供給加工刀具的新裝置后，可將高級(jí)陶瓷材料進(jìn)行更快更深的鉆削加工。一般超聲

17、波鉆進(jìn)陶瓷材料16mm后。鉆削速度便開(kāi)始以漸進(jìn)線形式下降。鉆入85mm后，鉆頭便完全停止.l美國(guó)發(fā)明的密封套樣陶瓷鉆削工具可l連續(xù)向鉆床的金剛石鉆頭 提供濃稠的切削液而不破壞超聲波作用.有了這種陶瓷鉆削工具，鉆床鉆通堅(jiān)硬材料的深度，最大可達(dá)到127mm。若使用更長(zhǎng)的鉆頭，還可鉆得更深些。l一種具有優(yōu)異柔性的陶瓷涂料，已由日本研制成功。這種涂料的耐熱性。耐蝕性及耐磨性均甚優(yōu)異。它在400。C的高溫下使用也不會(huì)劣化，置于2O的鹽酸或硫酸中亦不會(huì)發(fā)生腐蝕。以往的陶瓷涂料雖也具有極佳的耐蝕性與耐熱性，但因涂層較厚，往往由于和金屬的l熱膨脹有差異，從而引起剝落或不能適應(yīng)金屬的振動(dòng)應(yīng)變及扭曲。而新陶瓷涂料，能使涂膜迎合金屬伸縮的需要。即使涂膜達(dá)10o微米以上的厚度也不會(huì)剝落。由于涂料中配有硬化劑，故能和普通的涂料一樣，采用噴涂，刷涂或滾涂等，經(jīng)過(guò)熔 燒，在常溫下即可硬化，并且對(duì)金屬不需作底涂，可直接進(jìn)行涂裝。可廣泛地應(yīng)用到排煙道通風(fēng)，排煙脫硫裝置。熱交換器等方面。l石決明是一種貝殼類(lèi)藥材，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的形式。美國(guó)科學(xué)家力圖模仿石決明的這種本領(lǐng)。設(shè)計(jì)出一種可接受捶打的人造陶瓷，科學(xué)家稱(chēng)這種陶瓷仿生抗裂材料為“陶瓷金屬”。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種陶瓷金屬的抗裂強(qiáng)度比無(wú)結(jié)構(gòu)的同種材料一般要大40。其抗裂原因是由l于內(nèi)部的珠光層是一種層狀的磚泥結(jié)構(gòu)。這種微米厚的磚由細(xì)小的