陶瓷分類及用途

1、陶瓷材料陶瓷、金屬、高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料之間的主要區(qū)別在于化學(xué)鍵不同。金屬：金屬鍵高分子：共價(jià)鍵（主價(jià)鍵）+范德瓦爾鍵（次價(jià)鍵）陶瓷：離子鍵和共價(jià)鍵。普通陶瓷，天然粘土為原料，混料成形，燒結(jié)而成。工程陶瓷：高純、超細(xì)的人工合成材料，精確控制化學(xué)組成。工程陶瓷的性能：耐熱、耐磨、耐腐蝕、絕緣、抗蠕變性能好。硬度高，彈性模量高，塑性韌性差，強(qiáng)度可靠性差。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氮化硼等。一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和顯微組織1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物；以離子鍵和共價(jià)鍵為主要結(jié)合鍵。可以通過改變晶體結(jié)構(gòu)的晶型變化改變其性能。如“六方氮化硼為松

2、散的絕緣材料；立方結(jié)構(gòu)是超硬材料”2、顯微組織晶體相，玻璃相，氣相晶界、夾雜（種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布、影響材料的力學(xué)性能。（可通過熱處理改善材料的力學(xué)性能）陶瓷的分類玻璃工業(yè)玻璃（光學(xué)，電工，儀表，實(shí)驗(yàn)室用）；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷普通陶瓷-日用，建筑衛(wèi)生，電器（絕緣），化工，多孔特種陶瓷-電容器，壓電，磁性，電光，高溫金屬陶瓷-結(jié)構(gòu)陶瓷，工具（硬質(zhì)合金），耐熱，電工玻璃陶瓷耐熱耐蝕微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，無線電透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷2.陶瓷的生產(chǎn)（1）原料制備（揀選，破碎，磨細(xì)，混合）普通陶瓷（粘土，石英，長(zhǎng)石等天然材料）特種陶瓷（人工的化學(xué)或化工原料-各種化合物如氧、碳、氮、硼化

3、合物）（2）坯料的成形（可塑成形，注漿成形，壓制成形）（3）燒成或燒結(jié)3.陶瓷的性能（1）硬度是各類材料中最高的。（高聚物20HV,淬火鋼500-800HV,陶瓷1000-5000HV）（2）剛度是各類材料中最高的（塑料1380MN/m2,鋼207000MN/m2）強(qiáng)度理論強(qiáng)度很高（E/10-E/5）；由于晶界的存在,實(shí)際強(qiáng)度比理論值低的多。（E/1000-E/100）。耐壓（抗壓強(qiáng)度高），抗彎（抗彎強(qiáng)度高），不耐拉（抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)）較高的高溫強(qiáng)度。（4）塑性：在室溫幾乎沒有塑性。（5）韌性差,脆性大。是陶瓷的最大缺點(diǎn)。（6）熱膨脹性低。導(dǎo)熱性差，多為較好的絕熱材料（l=

4、10-210-5w/m.K）（7）熱穩(wěn)定性抗熱振性（在不同溫度范圍波動(dòng)時(shí)的壽命）急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度。陶瓷的抗熱振性很低（比金屬低的多，日用陶瓷220D（8）化學(xué)穩(wěn)定性：耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕（抗液體金屬、酸、堿、鹽）（9）導(dǎo)電性一大多數(shù)是良好的絕緣體，同時(shí)也有不少半導(dǎo)體（NiO,Fe3O4等）（10）其它：不可燃燒，高耐熱，不老化，溫度急變抗力低。普通陶瓷一.傳統(tǒng)陶瓷原料長(zhǎng)石，石英，粘土，高齡土，絹云母，滑石，石灰。加入（MgO,ZnO,BaO，Cr2O3等）提高強(qiáng)度；加入（A12O3，ZrO2等）提高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；加入（SiC等）提高導(dǎo)熱性。1.日用陶瓷性能要求：白度

5、，光潔度，熱穩(wěn)定性，機(jī)械強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性用途：日用器皿，工藝品藝術(shù)品等2.建筑陶瓷性能要求：強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性用途：地面，墻壁，管道，衛(wèi)生潔具等.3.電工陶瓷（高壓瓷）性能要求：強(qiáng)度，介電性能和熱穩(wěn)定性.用途：隔電，支持及連接，絕緣器件4.化工陶瓷性能要求：耐蝕性.用途：實(shí)驗(yàn)器皿，耐熱容器，管道，設(shè)備。特種陶瓷氧化物陶瓷：探A12O3高的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度（抗壓2493MN/m2）,高化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能以A12O3為主要成分，含少量SiO2的陶瓷。根據(jù)A12O3含量不同，分為75瓷（A12O3含量為75%）又稱剛玉-莫來石瓷；95瓷、99瓷，又稱剛玉瓷。Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，氣孔愈少，陶瓷的

6、性能愈好，但工藝愈復(fù)雜，成本愈高。優(yōu)勢(shì)：氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度高，是普通陶瓷的26倍，抗拉強(qiáng)度可達(dá)250MPa；耐磨性好，硬度次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；耐高溫性能好，剛玉陶瓷可在1600r下長(zhǎng)期工作，在空氣中的最高使用溫度達(dá)1980C；耐蝕性和絕緣性好；脆性大，抗熱振性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化。用途：工具，高溫爐零件，空壓機(jī)泵零件，內(nèi)燃機(jī)火花塞，坩堝。微晶剛玉（彎曲強(qiáng)度5000MN/m2，HRA92-93紅硬性1200C）-工具,刀具。探BeO導(dǎo)熱性好（180kcal/mhC）,熱穩(wěn)定性較高，消散高能輻射的能力強(qiáng)，強(qiáng)度低（抗壓強(qiáng)度（785MN/m2）用途：熔化某些純金屬的

7、坩堝，真空陶瓷和原子反應(yīng)堆用陶瓷探ZrO2呈弱酸性或惰性，導(dǎo)熱系數(shù)小1.5-1.7kcal/mhC,使用溫度2000-2200C，抗壓強(qiáng)度2060MN/m2探MgOCaO抗各種金屬堿性渣的作用，熱穩(wěn)定性差，MgO高溫易揮發(fā)，CaO在空氣中易水化碳化物陶瓷：碳化硅一彎曲強(qiáng)度200-250MN/m2，抗壓強(qiáng)度1000-1500MN/m2,硬度高，抗氧化,不抗強(qiáng)堿。主晶相SiC，有反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種碳化硅陶瓷；高溫強(qiáng)度高，工作溫度可達(dá)16001700C1400C時(shí)，抗彎強(qiáng)度為500600MPa；有很好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性、耐蝕性，且耐輻射；是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，主要用于制作火箭

8、噴管的噴嘴，澆注金屬的澆道口、熱電偶套管、爐管，燃?xì)廨喨~片，高溫軸承，熱交換器及核燃料包封材料等。用途：加熱元件，石墨的表面保護(hù)層，砂輪，磨料碳化硼硬度高，抗磨，熔點(diǎn)高2450C用途：磨料，超硬質(zhì)工具材料。3.氮化物陶瓷：氮化硼一石墨類型六方結(jié)構(gòu)(白石墨)-介電體和耐火潤(rùn)滑劑。立方結(jié)構(gòu)(b-BN)-極高硬度，抗加熱溫度2000C，是金剛石的代用品。主晶相BN，共價(jià)晶體，晶體結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)，有白石墨之稱；良好的耐熱性和導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率與不銹鋼相當(dāng)，熱脹系數(shù)比金屬和其它陶瓷低得多，故抗熱振性和熱穩(wěn)定性好；高溫絕緣性好，2000C仍是絕緣體，是理想的高溫絕緣材料和散熱材料；化學(xué)穩(wěn)定性高，能抗Fe、Al

9、、Ni等熔融金屬的侵蝕；硬度較其它陶瓷低，可切削加工；有自潤(rùn)滑性，耐磨性好。用途：氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導(dǎo)體、金屬的坩堝和冶金用高溫容器和管道，高溫軸承，下班制品成型模，高溫絕緣材料；因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒。4.金屬陶瓷以金屬氧化物或碳化物為主要成分，加入適量的金屬粉末，通過粉末冶金的方法制成的，具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷。金屬陶瓷是金屬切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。粉末冶金方法及其應(yīng)用金屬材料的制備：熔煉、鑄造高熔點(diǎn)的金屬及金屬化合物難以通過熔煉或鑄造的方法制備粉末冶金：陶瓷生產(chǎn)工藝在冶金中的應(yīng)用粉末制備壓制成型燒結(jié)

10、成零件或毛坯。粉末冶金法的基本工藝過程1.粉末制備包括粉末制取、配料、粉料混合等步驟。粉末的純度、粒度、混合的均勻程度等對(duì)粉末冶金制品的質(zhì)量有重要影響。粉末愈細(xì)、愈均勻、純度愈高，陶瓷的性能愈好。2.壓制成型多采用冷壓法，即將粉料裝入模具型腔內(nèi)，在壓力機(jī)下壓制成致密的具有一定強(qiáng)度的坯體。為了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中會(huì)加入一定比例的增塑劑，如汽油橡膠溶液、石蠟等。3.燒結(jié)將壓制成型的坯體放入通過保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，在保持至少一種組元仍處于固態(tài)的燒結(jié)溫度下，長(zhǎng)時(shí)間保溫，通過擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)等過程，獲得與一般合金相似的組織，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。根據(jù)

11、燒結(jié)過程中有無液相產(chǎn)生，燒結(jié)分為：固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。固相燒結(jié)：在燒結(jié)時(shí)不形成液相。無偏析高速鋼、燒結(jié)鋁（A1-A12O3）、燒結(jié)鎢、青銅石墨、鐵石墨等液相燒結(jié)：在燒結(jié)時(shí)形成部分液相的液-固共存狀態(tài)。金屬陶瓷硬質(zhì)合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速鋼一WC、鉻鉬鋼一WC等4.后處理加工為改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在燒結(jié)后還要進(jìn)行后處理加工。如齒輪、球面軸承等在燒結(jié)后再進(jìn)行冷擠壓，以提高其密度、尺寸精度等；鐵基粉末冶金零件進(jìn)行淬火處理，以提高硬度等等。陶瓷材料的力學(xué)性能強(qiáng)度（高溫、低溫、室溫）韌性、硬度、斷裂韌度、疲勞等。一、陶瓷材料的彈性變形、塑性變形與斷裂（圖9-23）（

12、1）彈性A）彈性模量大是金屬材料的2倍以上。共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系很少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難。B）彈性模量呈方向性；壓縮模量高于拉伸彈性模量結(jié)構(gòu)不均勻性；缺陷C）氣孔率f,彈性模量/（2）塑性變形a）室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小。b）1000C以上，大多數(shù)陶瓷材料可發(fā)生塑性變形（主滑移系運(yùn)動(dòng)）c）陶瓷的超塑性超細(xì)等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在無定形相。1250C,3.5X10-2S-1應(yīng)變速率e=400%。利用陶瓷的超塑性，可以對(duì)陶瓷進(jìn)行超塑加工（包括擴(kuò)散焊接）（3）斷裂以各種缺陷（表面或內(nèi)部）為裂紋源裂紋擴(kuò)展，瞬時(shí)脆斷。缺陷的存在是概率性的

13、。用韋伯分布函數(shù)表示材料斷裂斷裂概率m韋伯模數(shù)Z0特征應(yīng)力，該應(yīng)力下斷裂概率為0.632Z、Z試樣內(nèi)部的應(yīng)力及它們的最大值二、陶瓷材料強(qiáng)度和硬度陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度比其理論值小12個(gè)數(shù)量級(jí)。（1）彎曲強(qiáng)度三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲四點(diǎn)彎曲試樣工作部分缺陷存在的幾率較大。.強(qiáng)度比三點(diǎn)的低。（2）抗拉強(qiáng)度夾持部位易斷裂（加橡膠墊）常用彎曲強(qiáng)度代之，高20%40%。（3）抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多，10倍左右。（4）硬度高HRA，AT45N小負(fù)荷的維氏硬度或努氏硬度。陶瓷材料的斷裂韌度比金屬的低12個(gè)數(shù)量級(jí)測(cè)定方法（圖）單邊切口法、山形切口法、壓痕法、雙扭法、雙懸臂梁法。KIC值受切口寬度的影響。金屬材料：Z匸、。

14、（、KIC（；陶瓷材料：Zf、KICto尖端塑性區(qū)很小。陶瓷材料的增韌：（1）改善組織（細(xì)密、純、勻）（2）相變?cè)鲰g（3）微裂紋增韌陶瓷材料的疲勞強(qiáng)度靜態(tài)疲勞，動(dòng)態(tài)疲勞，循環(huán)疲勞和熱疲勞（1）靜態(tài)疲勞對(duì)應(yīng)于金屬材料的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂。“溫度、應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)”分成的個(gè)區(qū)（圖10-11）孕育區(qū)（低于應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值）低速區(qū)da/dt隨Kt而t中速區(qū)da/dt僅與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)，與K無關(guān)o高速區(qū)da/dt隨Kt而呈指數(shù)關(guān)系t（2）動(dòng)態(tài)疲勞類似于金屬材料應(yīng)力腐蝕研究中的慢應(yīng)變速率拉伸。（3）循環(huán)疲勞疲勞破壞以慢速龜裂擴(kuò)展的方式發(fā)生。陶瓷材料是脆性材料。（4）熱疲勞低周疲勞金屬的疲勞壽命通常用循環(huán)周次表示陶瓷