第5章陶瓷材料清華大學(xué)工程材料

1、“十五”國家級規(guī)劃教材工程材料第3版配套課件第第5 5章章第5 5章 陶瓷材料 內(nèi)容提要： 簡述工程陶瓷的基本工藝過程，簡述工程陶瓷的基本工藝過程，一般一般介紹普介紹普通陶瓷（日用陶瓷、工業(yè)陶瓷）的應(yīng)用。通陶瓷（日用陶瓷、工業(yè)陶瓷）的應(yīng)用。 簡要闡述簡要闡述特種陶瓷（氧化物、碳化物、硼化特種陶瓷（氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等陶瓷）的組成、性能特點和應(yīng)用。物、氮化物等陶瓷）的組成、性能特點和應(yīng)用。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 熟悉特種陶瓷的性能特點、改善性能的途徑熟悉特種陶瓷的性能特點、改善性能的途徑和應(yīng)用。和應(yīng)用。 對其它陶瓷材料作一般了解。對其它陶瓷材料作一般了解。 1. 1. 玻璃玻璃 包括光學(xué)玻璃、

2、電工玻璃、儀表玻璃等包括光學(xué)玻璃、電工玻璃、儀表玻璃等在內(nèi)的工業(yè)玻璃及建筑玻璃和日用玻璃等無在內(nèi)的工業(yè)玻璃及建筑玻璃和日用玻璃等無固定熔點的受熱軟化的非晶態(tài)固體材料；固定熔點的受熱軟化的非晶態(tài)固體材料； 2. 2. 玻璃陶瓷玻璃陶瓷 耐熱耐蝕的微晶玻璃、無線電透明微晶耐熱耐蝕的微晶玻璃、無線電透明微晶玻璃、光學(xué)玻璃陶瓷等；玻璃、光學(xué)玻璃陶瓷等；玻璃制品玻璃制品 耐熱陶瓷耐熱陶瓷 3. 3. 工程陶瓷工程陶瓷 一般分為一般分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷兩大類。兩大類。 按應(yīng)用分為按應(yīng)用分為結(jié)構(gòu)陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷材料與與功能陶瓷材料。功能陶瓷材料。 概述概述 陶瓷材料：陶瓷材料：各種無機(jī)非

3、金屬材料的通稱。包括：各種無機(jī)非金屬材料的通稱。包括： 陶瓷的生產(chǎn)過程陶瓷的生產(chǎn)過程 （1 1）原料制備）原料制備 礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、磨細(xì)得到坯料。磨細(xì)得到坯料。 （2 2）坯料成形）坯料成形 將坯料加工成一定形狀和尺寸并有一定將坯料加工成一定形狀和尺寸并有一定機(jī)械強(qiáng)度和致密度的半成品。包括可塑成形、機(jī)械強(qiáng)度和致密度的半成品。包括可塑成形、注漿成形、壓制成形。注漿成形、壓制成形。 （3 3）燒成與燒結(jié)）燒成與燒結(jié) 干燥后的坯料加熱到高溫，進(jìn)行一系列干燥后的坯料加熱到高溫，進(jìn)行一系列的物理、化學(xué)變化而成瓷的過程。的物理、化學(xué)變化而成瓷的過程。 燒

4、成是使坯件瓷化的工藝（燒成是使坯件瓷化的工藝（1250125014501450）；）； 燒結(jié)是指燒成的制品開口氣孔率極低、燒結(jié)是指燒成的制品開口氣孔率極低、致密度很高的瓷化過程。致密度很高的瓷化過程。5.1.1 5.1.1 普通日用陶瓷普通日用陶瓷 一、普通日用陶瓷的用途和特點 用粘土、石灰石、長石、石英等天然硅用粘土、石灰石、長石、石英等天然硅酸鹽類礦物制成。制造日用器皿和瓷器。酸鹽類礦物制成。制造日用器皿和瓷器。 一般具有良好的光澤度、透明度，熱穩(wěn)一般具有良好的光澤度、透明度，熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較高。定性和機(jī)械強(qiáng)度較高。 日用器皿日用器皿 藝術(shù)陶瓷藝術(shù)陶瓷5.1 5.1 普通陶瓷普通陶瓷

5、二、常用普通日用陶瓷 （1 1）長石質(zhì)瓷）長石質(zhì)瓷 國內(nèi)外常用的日用瓷，作國內(nèi)外常用的日用瓷，作一般工業(yè)瓷制品。一般工業(yè)瓷制品。 （2 2）絹云母質(zhì)瓷）絹云母質(zhì)瓷 我國的傳統(tǒng)日用瓷。我國的傳統(tǒng)日用瓷。 （3 3）骨質(zhì)瓷）骨質(zhì)瓷 主要作高級日用瓷制品。主要作高級日用瓷制品。 （4 4）滑石質(zhì)瓷）滑石質(zhì)瓷 綜合性能好的新型高質(zhì)瓷。綜合性能好的新型高質(zhì)瓷。 （5 5）高石英質(zhì)日用瓷）高石英質(zhì)日用瓷 我國研制成功，我國研制成功，石石英含量英含量 40%40%，瓷質(zhì)細(xì)膩、色調(diào)柔和、透光度，瓷質(zhì)細(xì)膩、色調(diào)柔和、透光度好、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。好、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。5.1.2 5.1.2 普通工業(yè)陶瓷普

6、通工業(yè)陶瓷 一、建筑衛(wèi)生瓷 用于裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等，用于裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等，通常尺寸較大，要求強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。通常尺寸較大，要求強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。 建筑陶瓷建筑陶瓷 衛(wèi)生陶瓷衛(wèi)生陶瓷 二、化學(xué)化工瓷 用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實驗室中用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實驗室中的管道設(shè)備、耐蝕容器及實驗器皿等。的管道設(shè)備、耐蝕容器及實驗器皿等。 通常要求耐各種化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力要強(qiáng)。通常要求耐各種化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力要強(qiáng)。 三、電工瓷 主要指電器絕緣用瓷，主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷。也叫高壓陶瓷。 要求機(jī)械性能高、介電要求機(jī)械性能高、介電性能和熱穩(wěn)定性好。性能和熱穩(wěn)定性好。 絕

7、緣瓷瓶絕緣瓷瓶 改善工業(yè)陶瓷性能的方法：改善工業(yè)陶瓷性能的方法： 加入加入MgOMgO、ZnOZnO、BaOBaO、CrCr2 2O O3 3等或增加莫來石等或增加莫來石晶體相，提高機(jī)械強(qiáng)度和耐堿抗力；晶體相，提高機(jī)械強(qiáng)度和耐堿抗力； 加入加入AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2等提高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；等提高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性； 加入滑石或鎂砂降低熱膨脹系數(shù)；加入滑石或鎂砂降低熱膨脹系數(shù)； 加入加入SiCSiC提高導(dǎo)熱性和強(qiáng)度。提高導(dǎo)熱性和強(qiáng)度。 5.25.2 特種陶瓷特種陶瓷 老師提示：老師提示：重點內(nèi)容重點內(nèi)容 特種陶瓷特種陶瓷也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷。也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷。 特種陶瓷

8、特種陶瓷包括包括特種結(jié)構(gòu)陶瓷特種結(jié)構(gòu)陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩大類，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶兩大類，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。瓷、高溫陶瓷等。 按陶瓷的主要組成分：按陶瓷的主要組成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。 5.2.1 5.2.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 一、氧化鋁（剛玉）陶瓷 氧化鋁的結(jié)構(gòu)是氧化鋁的結(jié)構(gòu)是O O-2-2排成密排六方結(jié)構(gòu)，排成密排六方結(jié)構(gòu)，AlAl+3+3占據(jù)間隙位置。占據(jù)間隙位置。 根據(jù)含雜質(zhì)的多少根據(jù)含雜質(zhì)的多少, , 氧化氧化鋁呈紅色鋁呈紅色( (如紅寶石如紅寶石) )或

9、藍(lán)色或藍(lán)色( (如藍(lán)寶石如藍(lán)寶石) )； 實際生產(chǎn)中實際生產(chǎn)中, , 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷按按AlAl2 2O O3 3含量可分為含量可分為7575、9595和和9999等幾種。等幾種。氧化鋁結(jié)構(gòu)氧化鋁結(jié)構(gòu) 氧化鋁氧化鋁 熔點達(dá)熔點達(dá)2050 2050 ，抗氧化性好。，抗氧化性好。 AlAl2 2O O3 3粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)后得到。粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)后得到。 廣泛用于耐火材料：廣泛用于耐火材料： 耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管。熱電偶套管。 氧化鋁熱電偶套管氧化鋁熱電偶套管 微晶氧化鋁微晶氧化鋁（微晶剛玉）（微晶剛玉） 硬度極高（硬度莫

10、氏硬度極高（硬度莫氏9 9），紅硬性達(dá)），紅硬性達(dá)12001200，可作切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。可作切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。 很高的電阻率和低的導(dǎo)熱率，是很好的電絕緣很高的電阻率和低的導(dǎo)熱率，是很好的電絕緣材料和絕熱材料。材料和絕熱材料。 強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度均較高（是普通陶瓷的強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度均較高（是普通陶瓷的5 5倍），倍），是很好的高溫結(jié)構(gòu)材料，如可作內(nèi)燃機(jī)火花塞、空是很好的高溫結(jié)構(gòu)材料，如可作內(nèi)燃機(jī)火花塞、空壓機(jī)泵零件等。壓機(jī)泵零件等。 單晶體氧化鋁單晶體氧化鋁 可做藍(lán)寶石激光器；可做藍(lán)寶石激光器； 氧化鋁陶瓷應(yīng)用實例：氧化鋁陶瓷應(yīng)用實例： 氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán) 氧化

11、鋁陶瓷噴咀氧化鋁陶瓷噴咀 二、氧化鈹陶瓷 導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，抗熱導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，抗熱沖擊性較高；沖擊性較高； 消散高能輻射的能力強(qiáng)、熱中子阻尼消散高能輻射的能力強(qiáng)、熱中子阻尼系數(shù)大。系數(shù)大。 強(qiáng)度低。強(qiáng)度低。 應(yīng)用應(yīng)用 : :氧化鈹陶瓷氧化鈹陶瓷制造坩堝，作真空陶制造坩堝，作真空陶瓷和原子反應(yīng)堆陶瓷，氣體激光管、晶體管瓷和原子反應(yīng)堆陶瓷，氣體激光管、晶體管散熱片和集成電路的基片和外殼等。散熱片和集成電路的基片和外殼等。 三、氧化鋯陶瓷 熔點在熔點在272700 00 以上，耐以上，耐2300 2300 高溫，高溫，推薦使用溫度推薦使用溫度2000 2000 2200 22

12、00 ； 能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和屬的冶煉坩堝和1800 1800 以上的發(fā)熱體及爐子、以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等；反應(yīng)堆絕熱材料等； 氧化鋯作添加劑可提高陶瓷材料的強(qiáng)氧化鋯作添加劑可提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。氧化鋯增韌陶瓷可制造模具、拉度和韌性。氧化鋯增韌陶瓷可制造模具、拉絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。桿等。 四、氧化鎂、氧化鈣陶瓷 氧化鎂、氧化鈣陶瓷通常是通過加熱白云氧化鎂、氧化鈣陶瓷通常是通過加熱白云石（鎂或鈣的碳酸鹽）礦石除去石（鎂或鈣的碳酸鹽）礦石除去CO2而制成的。而

13、制成的。 特點特點 能抗各種金屬堿性渣的作用。能抗各種金屬堿性渣的作用。 缺點缺點 熱穩(wěn)定性差，熱穩(wěn)定性差，MgO在高溫下易揮在高溫下易揮發(fā)，發(fā)，CaO甚至在空氣中就易水化。甚至在空氣中就易水化。 應(yīng)用應(yīng)用 常用作爐襯的耐火磚。常用作爐襯的耐火磚。5.2.2 5.2.2 碳化物陶瓷碳化物陶瓷 很高的熔點、硬度和耐磨性（特別是在很高的熔點、硬度和耐磨性（特別是在浸蝕性介質(zhì)中）。浸蝕性介質(zhì)中）。 缺點是耐高溫氧化能力差（約缺點是耐高溫氧化能力差（約90090010001000）、脆性極大。）、脆性極大。 碳化物陶瓷包括：碳化物陶瓷包括： 碳化硅碳化硅 碳化硼碳化硼 碳化鉬碳化鉬 碳化鎢碳化鎢 一、

14、碳化硅陶瓷 密度為密度為 3.23.210103 3 kg/mkg/m3 3； 彎曲強(qiáng)度為彎曲強(qiáng)度為 200 MPa200 MPa250 MPa250 MPa， 抗壓強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度為1000 MPa1000 MPa1500 MPa1500 MPa； 硬度莫氏硬度莫氏9.29.2； 熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)很小，在熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)很小，在900 900 1300 1300 時慢慢氧化。時慢慢氧化。 碳化硅陶瓷坩堝碳化硅陶瓷坩堝 碳化硅陶瓷密封件碳化硅陶瓷密封件 應(yīng)用：應(yīng)用：主要用于制造加熱主要用于制造加熱元件、石墨表元件、石墨表面保護(hù)層、砂輪及磨料等。面保護(hù)層、砂輪及磨料等。 二、碳化硼 碳

15、化硼陶瓷硬度碳化硼陶瓷硬度極高，抗磨粒磨損能極高，抗磨粒磨損能力很強(qiáng)；熔點達(dá)力很強(qiáng)；熔點達(dá)24502450。 高溫下會快速氧化，與熱的或熔融黑高溫下會快速氧化，與熱的或熔融黑色金屬發(fā)生反應(yīng)，使用溫度限定在色金屬發(fā)生反應(yīng)，使用溫度限定在980980以下。以下。 應(yīng)用：應(yīng)用：主要用于主要用于作磨料，也用于作磨料，也用于制造制造超超硬質(zhì)工具材料。硬質(zhì)工具材料。 三、其它碳化物陶瓷 碳化鉬碳化鉬 碳化鈮碳化鈮 碳化鎢碳化鎢 碳化鋯碳化鋯 熔點和硬度都很高。熔點和硬度都很高。 在在2000 2000 以上的中性或還原氣氛作高溫以上的中性或還原氣氛作高溫材料；材料； 碳化鈮、碳化鈦還可用于碳化鈮、碳化鈦還

16、可用于2500 2500 以上的以上的氮氣氣氛中的高溫材料。氮氣氣氛中的高溫材料。5.2.3 5.2.3 硼化物陶瓷硼化物陶瓷 硼化鉻硼化鉻 硼化鉬硼化鉬 硼化鈦硼化鈦硼化鎢硼化鎢 硼化鋯硼化鋯 高硬度；高硬度； 較好的耐化學(xué)浸蝕能力；較好的耐化學(xué)浸蝕能力； 熔點范圍為熔點范圍為1800 1800 2500 2500 ； 比碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有較高比碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有較高的抗高溫氧化性能，使用溫度達(dá)的抗高溫氧化性能，使用溫度達(dá)1400 1400 。 應(yīng)用：應(yīng)用：用于高溫軸承、內(nèi)燃機(jī)噴嘴、各種用于高溫軸承、內(nèi)燃機(jī)噴嘴、各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等。高溫器件、處理熔融非鐵金

17、屬的器件等。 5.2.4 5.2.4 氮化物陶瓷氮化物陶瓷 一、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是鍵能氮化硅陶瓷是鍵能高而穩(wěn)定的共價鍵晶體。高而穩(wěn)定的共價鍵晶體。 1 1、性能特點、性能特點 硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤滑作用。硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤滑作用。 是優(yōu)良的耐磨減摩材料；是優(yōu)良的耐磨減摩材料； 氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低。氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低。 抗氧化溫度高于碳化物和硼化物；抗氧化溫度高于碳化物和硼化物； 1200 1200 以下具有較高的機(jī)械性能和化以下具有較高的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊。學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊。 可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料；可做優(yōu)良的高

18、溫結(jié)構(gòu)材料； 耐各種無機(jī)酸（氫氟酸除外）和堿溶液耐各種無機(jī)酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕。優(yōu)良的耐腐蝕材料。浸蝕。優(yōu)良的耐腐蝕材料。 2 2、氮化硅陶瓷應(yīng)用：、氮化硅陶瓷應(yīng)用： 反應(yīng)燒結(jié)法得到的反應(yīng)燒結(jié)法得到的-Si-Si3 3N N4 4用于制造各種用于制造各種泵的耐蝕、耐磨密封環(huán)等零件。泵的耐蝕、耐磨密封環(huán)等零件。 熱壓燒結(jié)法得到的熱壓燒結(jié)法得到的-Si-Si3 3N N4 4, , 用于制造高用于制造高溫軸承、轉(zhuǎn)子葉片、靜葉片以及加工難切削材料溫軸承、轉(zhuǎn)子葉片、靜葉片以及加工難切削材料的刀具等。的刀具等。 在在SiSi3 3N N4 4中加一定量中加一定量AlAl2 2O O3 3燒制成陶

19、瓷可制燒制成陶瓷可制造柴油機(jī)的氣缸、活塞和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動葉輪。造柴油機(jī)的氣缸、活塞和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動葉輪。 氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷刀具 氮化硅陶瓷軸承滾珠氮化硅陶瓷軸承滾珠 二、氮化硼陶瓷二、氮化硼陶瓷 六方氮化硼：六方氮化硼： 為六方晶體結(jié)構(gòu)，也叫為六方晶體結(jié)構(gòu)，也叫“白色石墨白色石墨”。 硬度低，可進(jìn)行各種切削加工；硬度低，可進(jìn)行各種切削加工； 導(dǎo)熱和抗熱性高，耐熱性好，有自導(dǎo)熱和抗熱性高，耐熱性好，有自潤滑性能；潤滑性能； 高溫下耐腐蝕、絕緣性好。高溫下耐腐蝕、絕緣性好。 用于高溫耐磨材料和電用于高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤滑劑等。絕緣材料、耐火潤滑劑等。六方氮化硼六方氮化硼 立方氮化硼：立方氮化硼： 在高壓和在高壓和1360 1360 時六方氮化硼轉(zhuǎn)化為時六方氮化硼轉(zhuǎn)化為立方立方-BN-BN。 硬度接近金剛石的硬度。硬度接近金剛石的硬度。 用作金剛石的代用品用作金剛石的