第七、八章陶瓷材料

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容二、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)二、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)三、陶瓷材料的性能三、陶瓷材料的性能四、陶瓷材料的工藝四、陶瓷材料的工藝五、陶瓷材料的應(yīng)用五、陶瓷材料的應(yīng)用一、緒論一、緒論 1、陶瓷材料的概念、陶瓷材料的概念一、緒論一、緒論 陶瓷是陶器和瓷器的總稱，用天然原料或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的，由無機化合物構(gòu)成的多相固體材料。 陶瓷材料是人類應(yīng)用最早的材料。傳統(tǒng)的陶瓷材料是以硅和鋁的氧化物為主的硅酸鹽材料，新近發(fā)展起來的先進陶瓷或稱精細陶瓷，成分?jǐn)U展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，其內(nèi)涵遠遠超出了傳統(tǒng)陶瓷范疇，幾乎涉及整個無機非金屬領(lǐng)域。 什么是陶？什么是陶？什么是瓷

2、？什么是瓷？陶和瓷的區(qū)別是什么？陶和瓷的區(qū)別是什么？ 陶器是指以普通粘土為主要原料，經(jīng)手捏、輪制、模塑等方法加工成型后在8001000高溫下焙燒而成，坯體不透明、不致密、有微孔、易滲漏、強度不高、具有吸水性等特點，敲之聲音不清。 瓷器是以瓷土（高嶺土）、長石、石英等天然原料制得坯胎，通過在窯內(nèi)經(jīng)過高溫（約1280-1400）燒制而成。胎體玻化或部分?；?，而且一般都上釉。氣孔率低，吸水率不大于3%、質(zhì)地硬、強度大、敲擊聲清脆等特點的一類制品。 陶器和瓷器的主要區(qū)別陶器和瓷器的主要區(qū)別 燒成溫度不同。燒成溫度不同。陶器燒成溫度一般都低于瓷器，最低甚 至達到800以下，最高可達1100左右。瓷器的燒

3、成 溫度則比較高，大都在1200以上，甚至有的達到 1400左右。 堅硬程度不同堅硬程度不同。陶器燒成溫度低，坯體并未完全燒結(jié)， 敲擊時聲音發(fā)悶，胎體硬度較差，有的甚至可以用鋼刀 劃出溝痕。瓷器的燒成溫度高，胎體基本燒結(jié)，敲擊時 聲音清脆，胎體表面用一般鋼刀很難劃出溝痕。 使用原料不同。使用原料不同。陶器的胎料是普通的粘土，瓷器的胎料則 是瓷土，即高嶺土。 透明度不同。透明度不同。陶器的坯體即使比較薄也不具備半透明 的特點。瓷器的胎體無論薄厚，都具有半透明的特點。 釉料不同。釉料不同。陶器多不施釉或施低溫釉陶器多不施釉或施低溫釉, ,即即一般的陶器表 面無釉，即使有釉也是低溫釉。瓷器則多施釉，

4、瓷器則多施釉，瓷器的 釉料有兩種，既可在高溫下與胎體一次燒成，也可在高 溫素?zé)ド显賿斓蜏赜?，第二次低溫?zé)伞?吸水率不同。吸水率不同。陶器有較強的吸水性。一般來說，瓷的吸 水率小于0.5%，而陶的吸水率大于10%。 含鐵量不同。含鐵量不同。陶的含鐵量一般在3%以上，瓷胎含鐵量一 般在3%以下。 胎體特征不同胎體特征不同。陶器未玻化或玻化程度差，結(jié)構(gòu)不致 密，斷面粗糙。瓷器?；潭雀撸Y(jié)構(gòu)致密。 兵馬俑，亦稱陶俑，是典型的陶制品。兵馬俑，亦稱陶俑，是典型的陶制品。 舉世聞名的秦兵馬俑是秦代制陶工人的杰作。原料就地取土，未加調(diào)配。使用如此一般的粘土燒制這樣巨大的陶俑而不變型，歷經(jīng)2000余年不損

5、壞，這說明當(dāng)時制陶技術(shù)的精湛、高超。 秦兵馬俑秦兵馬俑 著名的唐三彩創(chuàng)始于唐高宗時期。所謂三彩，是用白色粘土做胎，以Cu、Fe、Co、Mn等的礦物做釉的著色劑，經(jīng)兩次燒制后，成為絢麗多彩的陶器精品。顏色以黃、綠和白色為主，故稱“唐三彩”。但三彩是表示多色，并不是在一件器物上只限于三種色釉。 宜興紫砂壺自明朝流傳至今，制造技術(shù)精湛，色澤淳樸，用來泡茶，茶不失原味，耐熱保溫，不易變質(zhì)。紫砂泥由粘土、石英、云母、赤鐵礦組成，其中Fe2O3含量約占7%-10%，TiO21%。 經(jīng)過了幾千年的發(fā)展，出現(xiàn)了瓷器。從陶到瓷，在技術(shù)上主要實現(xiàn)了三大突破：瓷土的發(fā)現(xiàn)和利用瓷土的發(fā)現(xiàn)和利用 瓷土與陶土相比，F(xiàn)e2

6、O3、CaO、MgO等稱為助熔劑的物質(zhì)明顯減少，SiO2的含量也降至70%以下，而Al2O3的含量顯著增加。釉的發(fā)明和創(chuàng)新釉的發(fā)明和創(chuàng)新 釉是覆蓋在瓷器表面的一種玻璃態(tài)的物質(zhì)，它是用礦物（長石、方解石、石英、滑石、高嶺土等）和顏料按照一定的比例配制而成，用多種方法施于陶瓷胚體表面。 燒制溫度的提高燒制溫度的提高 燒制溫度從8001000提高到1200以上，相應(yīng)配套的出現(xiàn)了窯爐。高溫使釉料被熔融并均勻地覆蓋在瓷器的表面，冷卻后之地堅硬、光滑、不沾污、高度絕緣、色彩艷麗動人。 瓷器是我國古代最重要的發(fā)明之一，凝聚著我國勞動人民的智慧。最早出現(xiàn)于距今3000多年前的商周，后經(jīng)過近1000年的發(fā)展，到

7、漢代已日趨成熟，在唐、宋、元、明、清歷代，造瓷技術(shù)水平登峰造極，江西景德鎮(zhèn)的薄胎瓷器被贊為潔如玉、明如鏡、薄如紙、聲如磬。至今藏于中國故宮博物院的大批古瓷器都是傳世珍品。元代（公元12711368年） 是中國青花瓷器燒造工藝發(fā)展歷史的重要時期。這一時期在前代釉下彩等工藝基礎(chǔ)上逐步確立、完善了青花瓷器的燒造技術(shù)，并形成了自身的獨特風(fēng)格。到明清時期（公元13681911年），青花瓷器已經(jīng)發(fā)展成為中國瓷器中的主要產(chǎn)品。 主要種類主要種類類類 別別按用途、性能等細分的品種按用途、性能等細分的品種普通普通陶瓷陶瓷日用陶瓷日用陶瓷餐茶具餐茶具中西餐茶具：中西餐茶具：盤，碗，杯，碟，壺盤，碗，杯，碟，壺等等

8、陳設(shè)瓷陳設(shè)瓷花瓶，陶瓷雕塑花瓶，陶瓷雕塑，陶瓷畫，陶瓷畫，建筑衛(wèi)生陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷墻地磚墻地磚外墻磚，內(nèi)墻磚，外墻磚，內(nèi)墻磚，地磚地磚衛(wèi)生陶瓷衛(wèi)生陶瓷洗面器，大小便器，洗滌器洗面器，大小便器，洗滌器，手紙盒，手紙盒電電 瓷瓷低壓電瓷低壓電瓷用于用于1KV的電瓷的電瓷高壓電瓷高壓電瓷用于用于1KV的電瓷，的電瓷，先進先進陶瓷陶瓷功能陶瓷功能陶瓷電子陶瓷電子陶瓷利用本征特性，如裝置瓷，電阻等利用本征特性，如裝置瓷，電阻等功能陶瓷功能陶瓷利用功能特性，如敏感、壓電陶瓷利用功能特性，如敏感、壓電陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷利用本征特性，如高強度，耐高溫，利用本征特性，如高強度，耐高溫，耐磨，耐

9、腐蝕等耐磨，耐腐蝕等2、陶瓷的分類、陶瓷的分類 特征特征 類別類別吸水率吸水率（）（） 特特 征征 陶陶 器器粗陶器粗陶器15不施釉，制作粗糙不施釉，制作粗糙普通陶器普通陶器12斷面顆粒較粗，氣孔較大，表面施釉，制作不夠精細斷面顆粒較粗，氣孔較大，表面施釉，制作不夠精細細陶器細陶器710斷面顆粒較細，斷面顆粒較細，氣孔較小，結(jié)構(gòu)均勻，表面施釉，制作精細氣孔較小，結(jié)構(gòu)均勻，表面施釉，制作精細 炻炻 器器粗炻器粗炻器37透光性差，胎體較厚，斷面呈石狀，制作較粗，透光性差，胎體較厚，斷面呈石狀，制作較粗，細炻器細炻器13透光性差，胎體較薄，斷面呈石狀，制作較細透光性差，胎體較薄，斷面呈石狀，制作較細

10、 瓷瓷 器器普通瓷器普通瓷器1有一定透光性有一定透光性，斷面呈石狀或貝殼狀，制作較精細，斷面呈石狀或貝殼狀，制作較精細細瓷器細瓷器0.5透光性好透光性好，斷面細膩斷面細膩，呈貝殼狀，呈貝殼狀，制作精細制作精細日用陶瓷的細分類日用陶瓷的細分類日用陶瓷日用陶瓷唐山骨質(zhì)瓷茶具唐山骨質(zhì)瓷茶具景德鎮(zhèn)飛天雕塑景德鎮(zhèn)飛天雕塑景德鎮(zhèn)三陽開泰景德鎮(zhèn)三陽開泰建筑衛(wèi)生陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷建筑陶瓷：用于建筑物飾面或作建筑陶瓷：用于建筑物飾面或作為建筑構(gòu)件的陶瓷制品。為建筑構(gòu)件的陶瓷制品。衛(wèi)生陶瓷：用作衛(wèi)生設(shè)施的有釉衛(wèi)生陶瓷：用作衛(wèi)生設(shè)施的有釉陶瓷制品。陶瓷制品。金屬氧化物避雷器金屬氧化物避雷器10kV瓷拉棒絕緣子瓷拉棒絕

11、緣子盤型懸式絕緣子盤型懸式絕緣子電瓷電瓷 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)、共價鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。二、陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)二、陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)1 1、陶瓷材料的結(jié)合鍵、陶瓷材料的結(jié)合鍵19共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵 2 2、陶瓷材料的相組成、陶瓷材料的相組成晶相玻璃相氣相 普通陶瓷普通陶瓷的典型組織是由晶體相晶體相、玻璃相玻璃相和氣體相氣體相組成的。特種陶瓷特種陶瓷的原料純度高，組織比較單一。如含Al203在95%以上氧化鋁陶瓷，其組織主要由Al203晶體和少量氣體相組成。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

12、質(zhì)的主要是晶相。 主要是某些固溶體或化合物，其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)量及分布決定了陶瓷材料的特性和應(yīng)用。陶瓷中晶體相主要有含氧酸鹽(硅酸鹽、鈦酸鹽等)、氧化物(MgO、Al2O3)、非氧化物(SiC，Si3N4)等。 玻璃相的強度比晶體相低、結(jié)構(gòu)疏松、熱穩(wěn)定性也差，因此作為工業(yè)陶瓷必須控制玻璃相的含量?，F(xiàn)在，許多高性能陶瓷幾乎都是不含玻璃相的結(jié)晶態(tài)陶瓷。l玻璃相是陶瓷燒結(jié)時，各組成物和雜質(zhì)經(jīng)一系列物理化學(xué)反應(yīng)后形成的一種非晶態(tài)的固體物質(zhì)。陶瓷中這種低熔點的玻璃相的作用是將分散的晶體相粘結(jié)在一起，降低燒成溫度，加快燒結(jié)過程，控制晶體長大以及填充氣孔空隙的作用。 氣孔對陶瓷的性能是不利的，它使應(yīng)力集中，降

13、低材料的強度，是造成裂紋的根源。因此，工業(yè)陶瓷力求氣孔小、數(shù)量少，并分布均勻。l陶瓷中氣孔主要是坯體各成分在加熱過程中單獨或互相發(fā)生物理、化學(xué)作用所生成的空隙。氣體相以孤立狀態(tài)分布于玻璃相中，或以細小氣孔存在于晶界或晶內(nèi)，約占普通陶瓷體積的5%10%或更多一些。典型晶體結(jié)構(gòu) 3、陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)、陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu) 陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)不像金屬那樣簡單，可分為典型的晶體結(jié)構(gòu)和硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)代號結(jié)構(gòu)名稱配位數(shù)陰離子堆積方式陽離子位置舉例AB氯化銫8:8簡單立方全部立方體空隙CsCl、CsBr、CdI巖鹽型6:6立方密堆全部八面體空隙NaCl、MgO、NiO、TiC、TiN砷化鎳6:6六方密

14、堆全部八面體孔隙NiAs、FeS、FeSe、CoSe閃鋅礦4:4立方密堆1/2四面體空隙ZnS、BeO、金剛石、-SiC纖鋅礦4:4六方密堆1/2四面體空隙ZnS、ZnO、-SiCAB2螢石型8:4簡單立方1/2立方體空隙CaF2、c-ZrO2、UO2、ThO2金紅石6:3畸變立方1/2八面體空隙TiO2、VO2、SnO2、MnO2硅石型4:2四面體四面體空隙SiO2、GeO2A2B反螢石4:8立方密堆全部四面體空隙Li2O、Na2O、K2O、Rb2O赤銅礦2:4體心立方八面體空隙K2O、Ag2OA2B3剛玉型6:4六方密堆2/3八面體空隙-Al2O3、Cr2O3、-Fe2O3ABO3鈣鈦礦1

15、2:6:6六方密堆1/4八面體空隙CaTiO3、BaTiO3、PbZrO3、PbTiO3鈦鐵礦6:6:4六方密堆2/3八面體空隙FeTiO3、MgTiO3、MnTiO3、CoTiO3A2BO4橄欖石6:4:4六方密堆1/2八面體空隙A1/8四面體孔隙BMg2SiO4、Fe2SiO4AB2O4尖晶石4:6:4立方密堆1/8四面體空隙A1/2四面體孔隙BMgAl2O4、CoAl2O4、ZnFe2O4B(AB)O4尖晶石（倒反）4:6:4立方密堆1/8四面體空隙B1/2八面體孔隙ABMgTiMgO4、FeMgFeO4表7-1 陶瓷典型結(jié)構(gòu) 硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)名稱連接方式Si:O結(jié)構(gòu)形狀結(jié)構(gòu)式實例島

16、狀01:4四面體SiO44-Mg2SiO4環(huán)狀11:3.5雙四面體Si2O76-Ca2Si2O721:3三節(jié)環(huán)Si3O96-BaTiSi3O9四節(jié)環(huán)Si4O128-Ba4（Ti,Nb,Fe8O16Si4O12Cl六節(jié)環(huán)Si6O1812-Be3Al2Si6O18鏈狀21:3單鏈Si2O64-CaMgSi2O62.51:2.75雙鏈Si4O116-Ca2Mg5Si4O11(OH)2層狀31:2.5平面層Si4O104-Mg3Si4O10(OH)2架狀41:2骨架SiO2SiO2Si4-xO8x-NaAlSi3O8表7-2 硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu) 硅酸鹽是構(gòu)成地殼的主要物質(zhì)，也是制造陶瓷的主要原料。粘土的晶

17、體結(jié)構(gòu) 粘土是由鋁硅酸鹽巖石長期風(fēng)化形成的顆粒小于0.01mm的礦物。單礦物粘土是生產(chǎn)陶瓷的重要原料。粘土屬于層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，根據(jù)硅-氧四面體片與鋁-氧八面體片共用氧原子情況不同，粘土的晶體結(jié)構(gòu)可分為1:1層狀結(jié)構(gòu)（一個硅氧片和一個鋁氧片共用氧原子）和2:1層狀結(jié)構(gòu)（兩個硅氧片和一個鋁氧片共用氧原子）。高嶺石族粘土和高嶺石族粘土和埃洛石族粘土埃洛石族粘土屬于1:1層狀結(jié)構(gòu)，見圖7-1；蒙脫石族粘土、葉臘石族粘土、伊利石族粘蒙脫石族粘土、葉臘石族粘土、伊利石族粘土土屬于2:1層狀結(jié)構(gòu)，見圖7-2。粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表7-3。圖7-1 1:1 層狀結(jié)構(gòu) 圖7-2 2:1 層狀結(jié)構(gòu)名稱晶系結(jié)構(gòu)

18、式結(jié)構(gòu)形狀結(jié)構(gòu)層數(shù)abc高嶺石三斜Al2(OH)4/Si2O3層狀1:15.148.937.14埃洛石單斜Al2(OH)4/Si2O5nH2O層狀1:15.158.9410.1葉臘石單斜Al2(OH)2/Si4O10層狀2:15.158.929.20蒙脫石單斜Al2(OH)4/Si4O10 nH2O層狀2:15.158.9415.2伊利石單斜(K,H)Al2(OH)2AlSi3O10層狀2:15.918.9910.1表7-3 粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 2 2石英的晶體結(jié)構(gòu)石英的晶體結(jié)構(gòu) 石英晶體有7種變體，均屬架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)。-石英、-鱗石英、-方石英結(jié)構(gòu)上的差別是硅氧四面體的連接方式不同。 晶

19、型晶系結(jié)構(gòu)形狀晶格常數(shù)Si-O間距Si-O-Si鍵角-石英三方架狀a=4.913, c=5.4051.61144-石英六方架狀a=4.999,c=4.4571.62147-鱗石英斜方單斜架狀a=8.74, b=5.04, c=8.24a=18.45, b=4.99, c=13.831.51-1.71140-鱗石英六方架狀a=5.06, c=8.251.53-1.55180-鱗石英六方架狀-方石英四方架狀a=4.972, c=6.9211.60-1.61147-方石英立方架狀a=7.121.56-1.69151表7-4 石英的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 3 3長石的晶體結(jié)構(gòu)長石的晶體結(jié)構(gòu) 圖7-4 長石的晶體

20、結(jié)構(gòu)(Al、Si原子有序無序影響對稱性和軸長)a）完全無序透長石 b）完全有序微斜長石 c）完全有序鈣長石名稱晶系結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)形狀abc透長石單斜KAlSi3O8架狀8.60013.0307.180正長石單斜KAlSi3O8架狀8.56212.9967.193微斜長石三斜KAlSi3O8架狀8.54012.9707.220鈉長石三斜NaAlSi3O8架狀8.13512.7887.154鈣長石三斜CaAlSi3O8架狀8.17712.87714.169鋇長石單斜BaAlSi3O8架狀8.64013.05014.400歪長石三斜NaKAlSi3O8架狀8.20012.7007.000表7-5 長石的

21、晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 三、三、 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 陶瓷大部分為共價鍵和離子鍵，鍵合牢固并有方向性，同金屬相比，其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜而表面能小。 因此，它的強度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性及耐熱性比金屬優(yōu)越，但塑性、韌性、可加工性、抗熱震性及使用可靠性卻不如金屬。 陶瓷材料的力學(xué)性能陶瓷材料的力學(xué)性能1 1、陶瓷的彈性模量：、陶瓷的彈性模量：陶瓷的彈性模量E一般都較高，比金屬材料高若干倍，比高聚物高24個數(shù)量級，極不容易變形。陶瓷材料陶瓷材料E/GPa陶瓷材料陶瓷材料E/GPa燒結(jié)氧化鋁366燒結(jié)MgAl2O4233熱壓Si3N4320致密SiC467燒結(jié)氧化鈹310燒結(jié)TiC310熱壓BN8

22、3燒結(jié)ZrO2150熱壓B4C290SiO2玻璃72石墨9莫來石瓷69燒結(jié)MgO210滑石瓷69燒結(jié)MoSi2407AlN瓷310金屬材料金屬材料E/GPa金屬材料金屬材料E/GPa鋼207鋁合金72.3表7-7 常見陶瓷的彈性模量 2 2、陶瓷的硬度、陶瓷的硬度 陶瓷材料陶瓷材料硬度（硬度（HV）陶瓷材料陶瓷材料硬度（硬度（HV）WC15002400ZrO21200-Al2O31500SiC2400B4C25003700Si3N41600cBN7500Sialon1800其它材料其它材料硬度（硬度（HV）淬火鋼500-800金剛石1000011000表7-8 常見陶瓷的硬度 化學(xué)鍵的強度決定

23、了硬度的大小，所以在各類材料中陶瓷的硬度是非常高的。其硬度隨溫度的升高而降低，但在高溫下仍能保持較高的數(shù)值。 隨著溫度的增加，陶瓷的硬度降低，與其它高性能的測試相比，方法簡便，所需試樣少。另外，高溫硬度與高溫強度有一定的對應(yīng)關(guān)系，但硬度對溫度的敏感性比強度對溫度的敏感性大，即隨溫度的提高，硬度比強度下降得快。 圖7-8 Si3N4陶瓷的硬度 理論強度很高，但由于晶界的存在，實際強度比理論值低得多?？箯潱箯潖姸雀撸蛪海箟簭姸雀撸?，不耐拉（抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數(shù)量級），具有較高的高溫強度。3 3、陶瓷的強度、陶瓷的強度 陶瓷材料晶粒尺寸/um氣孔率/強度/MPa高鋁磚2413.

24、5燒結(jié)Al2O3480266熱壓Al2O330900單晶Al2O302000熱壓MgO10340燒結(jié)MgO201.170單晶MgO01300表7-9 常見陶瓷的斷裂強度 陶瓷一般高溫強度較高。當(dāng)T1/2Tm時，強度才出現(xiàn)明顯下降。圖7-9 陶瓷的斷裂應(yīng)力與溫度的關(guān)系 陶瓷材料的剛度由彈性模量衡量，彈性模量反映了結(jié)合鍵的強度，所以具有強大化學(xué)鍵的陶瓷都有很高的剛度。4 4、陶瓷的剛度、陶瓷的剛度 剛度是抵抗變形的能力，強度是抵抗破壞的能力，硬度是侵入其它物體的能力（也是不被其它物體侵入的能力）。剛度是強調(diào)不變形，或變形?。粡姸仁菑娬{(diào)可靠性，即不能失效；硬度是強調(diào)侵入和反侵入的能力。 注意：注意：

25、4 4、陶瓷的韌性、陶瓷的韌性 陶瓷KIC/MPa m1/2Al2O344.5Al2O3-ZrO244.5ZrO212ZrO2-Y2O3615ZrO2-CaO810ZrO2-MgO56Si3N456SiAlON57SiC3.56B4C56表7-10 常見陶瓷的斷裂韌性 陶瓷的斷裂韌性很低，脆性很大，是陶瓷材料的最大缺點。提高陶瓷斷裂韌性的途徑主要有：相變韌化、纖維韌化以及顆粒韌化等。 ZrO2的t-m馬氏體相變將產(chǎn)生35的體積膨脹。在陶瓷中加入單向排布長纖維可改善韌性。如果顆粒種類、粒徑、含量及基體選擇得當(dāng)，可使陶瓷材料具有一定的韌化效果，同時使高溫蠕變性能得到改善。其效果不如短纖維和晶須。許

26、多先進陶瓷材料則是既堅且韌，如增韌氧化鋯瓷就非常堅韌。5 5、陶瓷的塑性、陶瓷的塑性 傳統(tǒng)陶瓷在室溫幾乎沒有塑性，主要原因是：陶瓷多為離子鍵和共價鍵，具有明顯的方向性，滑移系少；大部分陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滿足滑移的條件困難；陶瓷中位錯不易形成，位錯運動困難，難以產(chǎn)生塑性形變。 近年來還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷具有超塑性，如ZrO2、Al2O3、Si3N4、SiC、TiO2等陶瓷材料。所謂超塑性是指在適當(dāng)?shù)臈l件下會出現(xiàn)異常高的塑性變形率（ l/l100% ）。 陶瓷材料的超塑性主要是由于材料界面材料界面所貢獻的，是由于界面滑移所引起的。陶瓷材料的界面數(shù)量和界面性質(zhì)對超塑性起決定性作用。如果界面數(shù)量太少界面數(shù)

27、量太少，沒有超塑性，這是因為晶粒過大，大晶粒容易造成應(yīng)力集中，界面數(shù)量過多界面數(shù)量過多雖然可能出現(xiàn)超塑性，但由于材料強度的下降使其應(yīng)用受到限制。溫度升高時物質(zhì)原子振動振幅提高、原子間距增大所導(dǎo)致的體積長大現(xiàn)象。陶瓷的線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)比高聚物低，比金屬低得多。在一定溫度梯度作用下熱量在固體中的傳導(dǎo)速率。陶瓷的導(dǎo)熱性比金屬小，陶瓷多為較好的絕熱材料絕熱材料。熱穩(wěn)定性就是抗熱振性，為陶瓷在不同溫度范圍波動時的壽命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度來表征。陶瓷的熱穩(wěn)定性很低熱穩(wěn)定性很低，比金屬低得多。這是陶瓷的另一個主要缺點主要缺點。陶瓷的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。具有很好的耐火性能耐火性

28、能或不可燃不可燃燒性燒性，對酸、堿、鹽等腐蝕性很強的介質(zhì)均有較強的抗蝕能力抗蝕能力。陶瓷導(dǎo)電性變化范圍很廣導(dǎo)電性變化范圍很廣，大多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體絕緣體。但不少陶瓷既是離子導(dǎo)體，又有一定的電子導(dǎo)電性，是重要的半導(dǎo)半導(dǎo)體材料體材料，如ZnO、NiO、Fe3O4等。陶瓷的其它性能陶瓷的其它性能 陶瓷制品的生產(chǎn)工藝主要包括配料、制坯成型、施釉和燒成等工序。四、陶瓷材料的工藝四、陶瓷材料的工藝有釉陶瓷制品根據(jù)焙燒次數(shù)分為一次燒成和二次燒成兩種工藝。一次燒成是坯體干燥后即上釉，坯體與釉同時燒成。二次燒成是坯體干燥后先素?zé)?，然后再施釉入窯釉燒。無釉陶瓷制品是在配料中加入適當(dāng)?shù)闹趸?，坯體干燥后直接

29、燒成。石英(SiO2) 石英是構(gòu)成地殼的主要成分，一部分以硅酸鹽化合物狀態(tài)存在，構(gòu)成各種礦物巖石；另一部分則以獨立狀態(tài)存在，成為單獨礦物實體。石英在瓷坯中起骨架作用骨架作用。1、原料止火溫度常溫晶型轉(zhuǎn)變液相的過冷凝固液相析晶長石 長石在瓷坯中屬熔劑熔劑，是一族礦物的總稱，架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，一般又分四大類： Na2OAl2O36SiO2 鈉長石 鈣長石 鉀長石 鋇長石 K2OAl2O36SiO2 CaOAl2O32SiO2 BaOAl2O32SiO2 在陶瓷生產(chǎn)中使用的長石是幾種長石的互溶物，并含有其它雜質(zhì)，所以它沒有一個固定熔融溫度，只是在一個溫度范圍內(nèi)逐漸軟化熔融變?yōu)槿榘咨吵聿ＡB(tài)物質(zhì)。熔融

30、后的玻璃態(tài)物質(zhì)能夠溶解一部分粘土分解物及部分石英，促進成瓷反應(yīng)的進行，并降低燒成溫度，減少燃料消耗。這種作用通常稱為助熔作用助熔作用。此外，由于高溫下高溫下長石熔體具有較大粘度長石熔體具有較大粘度，可以起到高溫?zé)崴茏饔门c高溫膠結(jié)作用，防止高溫變形。冷卻后冷卻后長石熔體以透明玻璃長石熔體以透明玻璃體狀態(tài)存在于瓷體中體狀態(tài)存在于瓷體中，構(gòu)成瓷的玻璃基質(zhì)，增加透明度，提高光澤與透光度，改善瓷的外觀質(zhì)量與使用效能。 粘土 4 高嶺石類，一般稱為高嶺土（Al2O32SiO22H2O）；4 伊利石類，這類粘土主要是水云母質(zhì)粘土，或絹云母質(zhì)粘土；4 蒙脫石類，主要是由蒙脫石、拜來石等構(gòu)成的粘土，這類粘土又稱

31、為膨潤土。 粘土是一種含水鋁硅酸鹽礦物，是由地殼中含長石類巖石經(jīng)過長期風(fēng)化與地質(zhì)作用而生成。在自然界中分布很廣，種類繁多，藏量豐富。 粘土礦物的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3和水，還含有Fe2O3、TiO2等成分。粘土具有獨特的可塑性與結(jié)合性，調(diào)水后成為軟泥，能塑造成形，燒后變得致密堅硬。這樣一種性能構(gòu)成了陶瓷的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)，因而它是陶瓷的基礎(chǔ)原料基礎(chǔ)原料。粘土礦物主要有以下幾類：粘土礦物主要有以下幾類：2、坯體成型可塑法成形是用各種不同的外力對具有可塑性的坯料(泥團)進行加工，迫使坯料在外力作用下發(fā)生可塑變形而制成生坯的成形方法?？伤芊ǔ尚沃饕糜趥鹘y(tǒng)陶瓷可塑法成形主要用于傳統(tǒng)陶瓷?？伤?/p>

32、法成形基于坯料具有可塑性。對于可塑成形來說，要求可塑坯料具有較高的屈服值和較大延伸變形最（在破裂點前）。較高的屈服值是保證成形時坯料有足夠的穩(wěn)定性，而較大的延伸變形量則保證其易被塑成各種形狀而不開裂。 可塑法成形注漿法成形是將制備好的坯料泥漿注入多孔性模塑內(nèi)，由于多孔性模型的吸水性，泥漿貼近模壁的一層被模子吸水而形成均勻的泥層。該泥層隨時間的延長而逐漸加厚，當(dāng)達到所需的厚度時，可將多余的泥漿傾出。最后該層繼續(xù)脫水收縮而與模型脫離，從模型中取出后即為毛坯。注漿法成形主要用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形狀復(fù)雜件。注漿法成形主要用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形狀復(fù)雜件。注漿法成形多孔性模塑準(zhǔn)備注漿倒余漿

33、修口成品壓制成形干壓法成形是利用壓力將干粉坯料在模型中壓成致密坯體的一種成形方法。由于干壓成形的坯料水分少，壓力大，坯體比較致密，因此能獲得收縮小、形狀準(zhǔn)確、無需大干燥的生壞。干壓成形過程簡單，生產(chǎn)量大，缺陷少，便于機械化，因此對于成形形狀簡單的小型坯體較為合適，但對于形狀復(fù)雜的大型制品，采用一般的干壓成形就有困難。干壓法成形壓制成型等靜壓成形與干壓成形相似，也是利用壓力將干粉料在模型中壓制成形。但等靜壓成形的壓力不象干壓成形那樣只局限于一、二個受壓面，而是在模具的各個面上都施以均勻的壓力，這種均勻受壓是利用了液體或氣體能均勻地向各個方向傳遞壓力的特性。將粉料裝進一只有彈性的模具內(nèi)，密封，然后

34、把模具連同粉料一起放在充有液體或氣體的高壓容器中。封閉后，用泵對液體或氣體加壓，壓力均勻地傳送到彈性模壁和粉料上，使粉料被壓成與模具形狀相象的壓實物，但尺寸要比模具小一些。受壓結(jié)束后，慢慢減壓，從模具中取出坯體。 等靜壓成形圖8-3等靜壓成形過程1待成形的粉狀原料2將粉料裝滿有彈性的軟模3把模子關(guān)上并封嚴(yán)4把模子放在施壓容器的施壓介質(zhì)中5施壓6減壓之后，得到毛坯 3、坯體干燥成形后的坯體必須進行干燥，排除水分。實踐表明，生坯的強度隨著水分的降低而大為提高。當(dāng)生坯的水分含量干燥到12%時，已有足夠的強度和吸附釉層的能力，無須再繼續(xù)干燥。若生坯的水分再降低，則生坯在存放過種程中會自然吸收空氣中的水

35、分。晶型轉(zhuǎn)變解碳酸鹽、硫化物等的分的氧化有機物、碳和無機物等排除結(jié)構(gòu)水950300圖8-4坯體干燥過程的示意圖坯體在干燥過程中，隨著水分的排出，坯體不斷發(fā)生收縮。4、上釉釉是附著于陶瓷坯體表面的連續(xù)玻璃質(zhì)層，具有與玻璃相類似的物理與化學(xué)性質(zhì)。從外觀來說，陶瓷坯體表面的釉層使陶瓷具有平滑而光澤的表面，增加陶瓷的美觀，尤其是顏色釉與藝術(shù)釉更增添了陶瓷制品的藝術(shù)價值。從機械性能來說，正確配合的釉層可以增加陶瓷的強度與表面硬度，同時還可以使陶瓷的電氣絕緣性能、抗化學(xué)腐蝕性能有所提高。按組分分類：按組分分類：鉛釉硼釉鉛硼釉長石釉石灰釉石英、長石、大理石、高嶺土瓷石釉灰石英絹云母高嶺土長石碳酸鈣硬度較高，

36、光澤較強，略具乳白色。透光性強，適應(yīng)性能好，硬度亦較高。特征 特征 釉料配料制漿施釉浸釉法噴釉法澆釉法刷釉法5、燒成經(jīng)過成形、上釉后的半成品，必須最后通過高溫?zé)刹拍塬@得瓷器的一切特性。坯體在燒成過程中發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，如膨脹、收縮、氣體的產(chǎn)生、液相的出現(xiàn)、舊晶相的消失、新晶相的析出等等，這些變化在不同溫度階段中進行的狀況決定了陶瓷的質(zhì)量與性能。蒸發(fā)期蒸發(fā)期坯體內(nèi)殘余水分的排除，常溫300左右。 氧化分解和晶型轉(zhuǎn)化期氧化分解和晶型轉(zhuǎn)化期 ?；纱善诓；纱善?NoImage冷卻期冷卻期 燒成過程大致可分為四個階段： 先進陶瓷又稱為特種陶瓷、精細陶瓷、高性能陶瓷、高技術(shù)先進陶瓷又稱為特種陶

37、瓷、精細陶瓷、高性能陶瓷、高技術(shù)陶瓷陶瓷，其內(nèi)涵遠遠超出了傳統(tǒng)普通陶瓷范疇，幾乎涉及整個無機非金屬領(lǐng)域。 一般認(rèn)為，先進陶瓷是采用高度精選且具有特定化學(xué)組成的原料，按照便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制的工藝進行制備、加工，得到的具有優(yōu)異性能的陶瓷。五、陶瓷材料的應(yīng)用五、陶瓷材料的應(yīng)用先進陶瓷材料先進陶瓷材料原材料不同：原材料不同：先進陶瓷選用人工合成或提純的高質(zhì)量粉體作起始原料；后者則將天然礦物，如黏土、石英、長石等，經(jīng)過粉碎、除渣等工藝處理后直接使用?；瘜W(xué)組成不同：先進陶瓷化學(xué)組成不同：先進陶瓷除氧化物外，還有氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等，其化學(xué)和相組成簡單明晰，純度高，顯微結(jié)構(gòu)均勻細密化學(xué)和相組

38、成簡單明晰，純度高，顯微結(jié)構(gòu)均勻細密。傳統(tǒng)陶瓷以氧化物為主，其化學(xué)和相組成均復(fù)雜多變，顯微結(jié)構(gòu)粗劣且多氣孔。 1 1、先進陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的差別、先進陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的差別制備工藝不同。制備工藝不同。先進陶瓷必須加入添加劑才能進行干法或濕法成型，燒結(jié)溫度較高（1200 -2200），且需加工后處理；而普通陶瓷燒結(jié)溫度較低（900-1400）。 品種不同品種不同。先進陶瓷除燒結(jié)體外，還有單晶、薄膜、纖維、復(fù)合物；而傳統(tǒng)陶瓷主要是天然硅酸鹽礦物原體的燒結(jié)體。用途不同。用途不同。先進陶瓷因優(yōu)異的力、光、電、磁性能等，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電子、航空航天、核動力、軍事、紡織、生物和汽車等諸多工業(yè)領(lǐng)域，傳

39、統(tǒng)陶瓷一般僅限于日用和建筑使用。 根據(jù)性能和應(yīng)用不同，先進陶瓷材料可以分為結(jié)構(gòu)陶瓷、功能結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷和陶瓷涂層材料陶瓷和陶瓷涂層材料等。 結(jié)構(gòu)陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷：在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱為結(jié)構(gòu)陶瓷，具有高溫下強度和硬度高、蠕變小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)越性能。 功能陶瓷：功能陶瓷：利用陶瓷具有的物理性能（電、磁、光、壓電、熱釋電等）制造的陶瓷材料稱為功能陶瓷，也稱為電子陶瓷，它具有的物理性能差異很大。 陶瓷涂層材料：陶瓷涂層材料：在生產(chǎn)中，幾乎所有部件都可以用涂層的辦法來滿足其對耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的要求，即加工成陶瓷涂層材料。2 2、先進陶瓷材料的分類、先進陶瓷材料的分類 結(jié)構(gòu)陶

40、瓷主要是用于耐磨損、高強度、耐熱、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低熱膨脹性和隔熱等結(jié)構(gòu)陶瓷材料。不同形狀的特種結(jié)構(gòu)陶瓷件不同形狀的特種結(jié)構(gòu)陶瓷件結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷66 這類陶瓷是作為結(jié)構(gòu)材料用于制造結(jié)構(gòu)零部件，要求有更好的力學(xué)性能，如強度、韌性、硬度、模量、耐磨性及高溫性能等。 不同成分陶瓷均可設(shè)計成為結(jié)構(gòu)陶瓷，如Al2O3、Si3N4、ZrO2等，是常用的結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷零件陶瓷零件氧化鋁陶瓷是一種技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定、材料性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。由于其具有較好的耐磨性耐磨性、抗抗腐蝕性腐蝕性以及具有較高的強度較高的強度、硬度硬度和相對較低的價格相對較低的價格，因而被廣泛的使用作為耐磨材料、密封制品等結(jié)

41、構(gòu)部件。同時氧化鋁陶瓷又具有較佳的絕緣性能絕緣性能，也常作為絕緣部件應(yīng)用于電子、電器零部件。 67 成分： Al2O3少量SiO2氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷a)高強度、高溫穩(wěn)定性：噴嘴、火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩 ；b)高硬度、高耐磨性：切削工具、模具、磨料、軸承、人造寶石；c)低的介電損耗、高電阻率、高絕緣性：火花塞，電路基板，管座；d)熔點高、抗腐蝕：耐火材料，坩堝，爐管，熱電偶保護套等；e)離子導(dǎo)電性：太陽能電池材料和蓄電池材料等。f)生物相容性：還可用于制作人工骨骼和人造關(guān)節(jié)等。68 成分： Al2O3少量SiO2氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷轉(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

42、環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝 氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝熱偶套管，淬料，如耐火磚、坩堝熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流燃機的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。罩及軸承等。 70氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系數(shù)小，耐磨性好，抗熱振性大大高于其它陶瓷。它具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐除氫氟酸、氫氧化鈉外的其它酸和堿性溶液腐蝕，以及抗熔融金屬侵蝕。它還具有優(yōu)良的絕緣性能。 用于制造切削刀具、高溫軸承、泵密封環(huán)、熱電偶保護套、缸套、活塞頂、電磁泵管道和閥門等。成分：

43、以Si3N4為主要成分的陶瓷71 高性能氮化硅陶瓷高性能氮化硅陶瓷是一種通過化學(xué)反應(yīng)經(jīng)人工合成的結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、高強度、高硬度、耐磨損、抗氧化、自潤滑、電絕緣等一系列優(yōu)良性能。在航天航空、汽車發(fā)動、機械、化工、石油等領(lǐng)域有著廣泛的用途。 熱壓燒結(jié)氮化硅熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。SiSi3 3N N4 4軸承軸承 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機械密封環(huán)等。汽輪機轉(zhuǎn)子汽輪機轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件 功能陶瓷中包括電磁功能、光學(xué)功能和生物-化學(xué)功能等陶瓷制品和材料，此外還有核能陶瓷和其它功能材料

44、等。電子絕緣件電子絕緣件氧化鋯陶瓷光學(xué)導(dǎo)管氧化鋯陶瓷光學(xué)導(dǎo)管功能陶瓷功能陶瓷75 作為功能材料，主要是利用無機非金屬材料除機械性能外的優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如電磁性、熱性能、光性能及生物性能等，用以制作功能器件。 例如用于制作電磁元件的鐵電陶瓷；制作電容器的介電陶瓷；作為力學(xué)傳感器的壓電陶瓷，還有固體電解質(zhì)陶瓷、生物陶瓷、光導(dǎo)纖維材料等大量的功能性陶瓷。電子陶瓷電子陶瓷1、先進陶瓷的制備過程中應(yīng)具備下列技術(shù)要素:原材料原材料：高純超細、粒度分布均勻；化學(xué)組成化學(xué)組成：可以精確調(diào)整和控制；精密加工精密加工：精密可靠，而且尺寸和形狀可根據(jù)需 要進行設(shè)計；燒結(jié)燒結(jié)：可根據(jù)需要進行溫度、濕度、氣氛和壓

45、力控制。先進陶瓷的制備先進陶瓷的制備 先進陶瓷與普通陶瓷不同，通常以化學(xué)計量進行配料，要求粉料高純超細，傳統(tǒng)的通過機械粉碎和分級的固相法已不能滿足要求。 先進陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和多功能性，在很大程度上取決于粉末原料的特性、粒度及其形狀與尺寸、化學(xué)組成及其均勻度等。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對先進陶瓷元件提出了高精度、多功能、高可靠性、小型化的要求。為了制造出高質(zhì)量的先進陶瓷元件，其關(guān)鍵之一就是要實現(xiàn)粉末原料的超純、超細的均勻化。 在Al2O3含量較高的瓷坯中，主要晶相為剛玉(-Al2O3)。這種剛玉瓷，由于Al2O3含量高，具有很高的耐火度和強度。其生產(chǎn)工藝過程如下： 工業(yè)氧化鋁的預(yù)燒工業(yè)氧化鋁的

46、預(yù)燒：預(yù)燒使原料中的-Al2O3全部轉(zhuǎn)變?yōu)?Al2O3，減少燒成收縮。預(yù)燒還能排除原料中大部分Na2O雜質(zhì)。原料的細磨原料的細磨：由于工業(yè)Al2O3是由氧化鋁微晶組成的疏松多孔聚集體，很難燒結(jié)致密。為了要破壞這種聚集體的多孔性，必需將原料細磨。但過細粉磨，也可能使燒結(jié)時的重結(jié)晶作用很難控制，導(dǎo)致晶粒長大，降低材料性能。以Al2O3陶瓷的制備過程為例：酸洗酸洗：如果采用鋼球磨粉磨，料漿要經(jīng)過酸洗除鐵。鹽酸能與鐵生成FeCl2或FeCl3而溶解，然后再水洗以達到除鐵的目的。成形成形：把經(jīng)酸洗除鐵并烘干備用的原料采用干壓、擠制、注漿、軋膜、搗打、熱壓及等靜壓等方法成形，以適應(yīng)各種不同形狀的要求。燒成燒成：燒成制度對剛玉制品的