陶瓷材料的性能特點(diǎn)及其應(yīng)用

1、陶瓷材料姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)： 概況 一.陶瓷的工藝過程 二.陶瓷的結(jié)構(gòu) 三.陶瓷材料的性能特點(diǎn) 四.陶瓷材料及其應(yīng)用1.陶瓷的工藝過程1、原料的制備（1）生產(chǎn)陶瓷的三種主要原料 1.粘土（4060）：含水鋁硅酸鹽，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。 2.石英（2030）：化學(xué)組成為SiO2，是一種耐熱性、抗蝕性、高硬度的物質(zhì)，是陶瓷制品的骨架。 3.長(zhǎng)石（2030）：含K、Na、Ca的無水鋁硅酸鹽，高溫下熔融，可以溶解部分石英和高嶺土分解物，起高溫膠結(jié)作用。（2）傳統(tǒng)陶瓷可塑坯料的制備過程中碎中碎粗碎粗碎長(zhǎng)石揀選洗滌石英煅燒揀選粘土及高嶺土揀選中碎濕法球磨過篩除

2、鐵壓濾煉泥及陳腐擠制泥段送往成型配料傳統(tǒng)陶瓷可塑坯料的制備過程示意圖2、坯料的成型 1.定義 在配制好的陶瓷原料中加入水或其他成型助劑（粘合劑），使其有一定塑性，然后通過某種方法使其成為具有一定形狀的坯體的工藝過程。 2.成型方法 擠壓成型法：在坯料中加入水或增塑劑，捏練成塑性泥料，然后用手工、擠壓或機(jī)加工成型。 注漿成型：將漿料澆注到石膏模中成型，常用于制造形狀復(fù)雜，精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。 壓制成型：在粉料中加入少量水分和增塑、劑，然后在金屬模具中加較高壓力成型，主要用于特種陶瓷和金屬陶瓷。3、制品的燒成或燒結(jié)1.定義： 成型的坯料，經(jīng)過高溫?zé)苫驘Y(jié)才能獲得陶瓷的特性。燒成的制

3、品開口率較高，致密度較低。當(dāng)燒成濕開口氣孔率接近于零，獲得高致密度的瓷化過程成為燒結(jié)。2.燒成（或燒結(jié)）四階段 蒸發(fā)期（室溫300） 排除坯體內(nèi)的殘余水分。 氧化物分解和晶型轉(zhuǎn)化期（300 950 ） 粘土中結(jié)構(gòu)水的排除，碳酸鹽（雜質(zhì)）的分解，有機(jī)物、碳素的氧化以及石英的晶型轉(zhuǎn)化。 ?；纱善冢?50 燒結(jié)溫度） 原料在985 共熔，隨溫度升高 ，液相量逐漸增多。液相使坯體致密化，同時(shí)液相吸出新的穩(wěn)定相莫來石。莫來石晶體的不斷析出和線性尺寸的長(zhǎng)大，交錯(cuò)貫穿著在瓷坯中起骨架作用，使瓷坯強(qiáng)度增大。 冷卻期（止火溫度室溫）冷卻過程中玻璃 相在750550 之間有塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，殘留石英在573

4、由石英轉(zhuǎn)變?yōu)槭ⅰ６?陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)晶體相玻璃相氣相硅酸鹽結(jié)構(gòu)氧化物結(jié)構(gòu)非氧化物結(jié)構(gòu)1、晶體相 作用：晶體相是陶瓷的主要組成相，決定陶瓷 的性能和應(yīng)用。（1）硅酸鹽結(jié)構(gòu) 1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 構(gòu)成硅酸鹽的基本單元是SiO4四面體。硅氧四面體只能通過共用頂角而相互連 結(jié)，否則結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；Si4+離子間不直接成鍵，它們之間的結(jié)合通過O2-離子來實(shí)現(xiàn)，SiO Si的結(jié)合鍵在氧上的鍵角接近于145，鍵的性質(zhì)為共價(jià)鍵合離子鍵約各占一半。 按照一定的硅氧比數(shù)，穩(wěn)定的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中， 硅氧四面體采取空間維數(shù)互相結(jié)合，單個(gè)四面 體的維數(shù)為0，連成鏈狀、層狀和立體的維數(shù) 相應(yīng)為1、2、3； 硅氧四面體相互連結(jié)時(shí)優(yōu)先

5、采取比較緊密的結(jié) 構(gòu)； 同一結(jié)構(gòu)中的硅氧四面體最多只相差1個(gè)氧原 子。結(jié)構(gòu)類型島狀：鏈狀：層狀：骨架狀：含孤立、成對(duì)有限硅氧團(tuán)和環(huán)狀有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽結(jié)構(gòu)（如鎂橄欖石Mg2SiO4）由大量的硅氧四面體通過共頂連結(jié)而形成的一維結(jié)構(gòu)（石棉)由大量的、底面在同一平面上的硅氧四面體通過在該平面上共頂連接而形成的具有六角對(duì)稱的無限二維結(jié)構(gòu)（高嶺石、云母）硅氧四面體在空間組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（SiO2、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石）2.結(jié)構(gòu)類型（2）氧化物結(jié)構(gòu) 1.NaCl型結(jié)構(gòu)（AX型） 2.CaF2(AX2型) 3. 剛玉結(jié)構(gòu)(A2X3型) 4. 鈣鈦礦型或鈦鐵礦型結(jié)構(gòu)(ABX3型) 5.尖晶石結(jié)構(gòu)(AB2X4型)（

6、3）非氧化物的結(jié)構(gòu) 1.定義： 指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硼化物和硅化物。 它們是特種陶瓷特別是金屬陶瓷的主要組成和晶體相，主要由共價(jià)鍵結(jié)合，但也有一定成分的金屬鍵合離子鍵。 2.結(jié)構(gòu)（4）晶體缺陷 空位、置換原子和間隙原子。 置換固溶體的溶解度 離子尺寸：1415 原子價(jià)：盡量相同 化學(xué)親和力：電負(fù)性|xA-xB|0.4 組元結(jié)構(gòu)類型：相同 點(diǎn)缺陷的作用： 提高陶瓷材料的導(dǎo)電性。主要有空位導(dǎo)電，間隙原子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電。另外，在陶瓷材料中加入雜質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)P型、N型兩種類型的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體：加入元素的原子價(jià)大于基質(zhì)的原子價(jià)。 N型半導(dǎo)體：加入元素的原子價(jià)小于基質(zhì)的原子價(jià)。 陶瓷材料中位錯(cuò)的

7、特點(diǎn)： (1)形成位錯(cuò)的能量大，因而不易形成位錯(cuò)。 E=aGb2 式中:a幾何因子 G 剪切模量 b 位錯(cuò)柏氏矢量 （2）離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合造成位錯(cuò)可動(dòng)性差多晶體晶界細(xì)晶強(qiáng)化 ： （1）金屬材料：晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。 （2） 陶瓷材料：晶界兩側(cè)晶粒取向不同， 阻止裂紋擴(kuò)展。二、玻璃相1.作用： 將晶體粘結(jié)起來，填充晶體相之間空隙，提 高材料的致密度； 降低燒成溫度，加快燒結(jié)過程； 阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶體長(zhǎng)大； 獲得一定程度的玻璃特性。2.玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）軟化溫度(Tf)3.石英玻璃與石英晶體的區(qū)別 若玻璃中含有氧化鋁或氧化硼，則四面體中的硅被鋁或硼部分取代，形成鋁硅酸員或硼硅酸鹽

8、的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。玻璃中含有堿金屬（Na、K）和堿土金屬(Ca、Mg、Ba)的離子時(shí)，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)中分布在四面體群的網(wǎng)絡(luò)里， Na2O等氧化物的存在，會(huì)使很強(qiáng)的SiO Si鍵破壞，因而降低玻璃的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，但有利于生產(chǎn)工藝。三、氣相 氣孔降低陶瓷的強(qiáng)度，是造成裂紋的根源。普通陶瓷的氣孔率為510，特種陶瓷的氣孔率在5以下，金屬陶瓷則要求低于5。三 陶瓷材料的性能特點(diǎn) 1、陶瓷材料的力學(xué)性能 （1）彈性模量 1. 陶瓷材料的彈性模量比金屬材料的彈性模量大得多，常相差數(shù)倍。 2. 陶瓷材料的彈性模量不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，還與組成相的種類、分布、比例及氣孔率的大小有關(guān)。 3. 陶瓷材料在受壓狀態(tài)

9、下的彈性模量一般大于拉伸狀態(tài)下的彈性模量。 （2）強(qiáng)度 1.陶瓷材料在理論上具有很高的斷裂強(qiáng)度，但 實(shí)際上斷裂強(qiáng)度卻往往比金屬材料低的多。 2.陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多，其差別程度大大超過金屬。 3.氣孔和材料密度對(duì)陶瓷斷裂強(qiáng)度有重大影 響。 4.一般來說，陶瓷的耐熱沖擊性較差，在熱 應(yīng)力作用下易出現(xiàn)脆性破壞。 5.晶粒越小，強(qiáng)度越高。（3）塑性與韌性 陶瓷材料的塑性和韌性都較低，這是由于其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系統(tǒng)少，位錯(cuò)生成能高，而且位錯(cuò)的可動(dòng)性差。（4）硬度 硬度值的大小取決于陶瓷的組成郁結(jié)構(gòu)。其影響因素有： 1.共價(jià)晶體中電子云的重疊程度：電子云重疊程度越大，材料硬度越高； 2.

10、離子晶體中離子堆積的緊密程度：離子堆積越緊密，材料硬度越高。（5）提高陶瓷材料強(qiáng)度及改善脆性的途徑 1.制造微晶、高密度、高純度的陶瓷； 2.在陶瓷表面引入壓應(yīng)力，可提高材料的強(qiáng)度； 3.消除表面缺陷，可有效地提高材料的實(shí)際強(qiáng)度； 4.復(fù)合強(qiáng)化； 5.ZrO2增韌。2、陶瓷材料的熱性能（一）熱容： 熱容：物體在溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量。 比熱：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)的熱容。 摩爾熱容：一摩爾物質(zhì)的熱容。 陶瓷材料的摩爾熱容對(duì)結(jié)構(gòu)的變化不敏感，但單位體積的熱容卻與氣孔率有關(guān)。（2）熱膨脹系數(shù)：熱膨脹：物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象。 通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)都較大，而類似于無定形的玻璃往往

11、具有較小的膨脹系數(shù)。（3）導(dǎo)熱率 晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則導(dǎo)熱率越低保溫性能越小。（4）熱應(yīng)力與抗熱震性 熱應(yīng)力：在加熱和冷卻過程中，如果材料的膨脹與收縮受到約束，材料內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。 抗熱震性：材料承受溫度急劇變化而不發(fā)生 失效的能力。 熱震：即指溫度的激變。 塑性材料能夠通過塑性變形來松弛熱震所產(chǎn)生的應(yīng)力，因而具有高的熱震抗力。而對(duì)于脆性材料，熱震卻常是其失效的主要原因之一。3、陶瓷材料的電性能、陶瓷材料的電性能 電子陶瓷是現(xiàn)代陶瓷的重要組成部分。 物質(zhì)傳導(dǎo)電流的能力通常用電導(dǎo)率或電阻率來衡量，被電場(chǎng)感應(yīng)的性質(zhì)通常用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗來衡量。（1）陶瓷材料的導(dǎo)電性及機(jī)理 絕大多數(shù)陶瓷都是良好的

12、絕緣體。通常電子陶瓷都要求有良好的絕緣性。 某些陶瓷材料的半導(dǎo)性及導(dǎo)電性已被人們發(fā)現(xiàn)，并制成各種半導(dǎo)陶瓷和導(dǎo)電陶瓷。（2）陶瓷材料的極化和介電常數(shù) 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。 綜合反映介電質(zhì)極化行為的主要宏觀物理量是介電常數(shù)。（3）陶瓷材料的介電損耗 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而損耗的能量為介質(zhì)損耗。產(chǎn)生原因： 1.結(jié)構(gòu)不緊密的晶體內(nèi)部有較大空隙，易形成熱離子松弛，從而產(chǎn)生損耗。 2.陶瓷中的玻璃相也是造成介質(zhì)損耗的一個(gè)重要原因。 為降低介質(zhì)損耗，應(yīng)盡量選擇結(jié)構(gòu)緊密的晶體作為主晶相，并盡量減少玻璃相，同時(shí)應(yīng)防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)變。五 陶瓷材料及其應(yīng)用1、普通陶瓷 普通陶瓷是指粘土類陶瓷。特點(diǎn)：質(zhì)地堅(jiān)硬