工程材料基礎(chǔ)-第8章陶瓷材料

第八章陶瓷材料CERAMICMATERIALS第一節(jié)概述OUTLINE陶瓷材料

——陶瓷材料指所有無(wú)機(jī)非金屬材料。是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的多晶固體材料

一、陶瓷的分類(lèi)Classificationofceramics按用途日用陶瓷工業(yè)陶瓷功能陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷按性能高強(qiáng)度陶瓷高溫陶瓷耐酸陶瓷…按化學(xué)成分氧化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷…按原料來(lái)源普通陶瓷（黏土，石英，長(zhǎng)石）特種陶瓷（SiC,BN,…）Al2O3普通陶瓷——又稱(chēng)傳統(tǒng)陶瓷。以天然硅酸鹽礦物為主要原料，如粘土、石英、長(zhǎng)石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等特種陶瓷——以純度較高的人工合成化合物為主要原料的人工合成化合物

二、陶瓷制品的生產(chǎn)Productionofceramicproducts坯料制備→成型→燒結(jié)通過(guò)機(jī)械或物理或化學(xué)方法制備粉料，在制備坯料時(shí)，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團(tuán)坯料制備粉末的粒徑是描述粉末品質(zhì)的最重要的參數(shù)，粒徑越小，表面積越大，高溫?zé)Y(jié)時(shí)固相擴(kuò)散物質(zhì)遷移的界面越多，也就越致密化。微米級(jí)；納米粉末生坯經(jīng)初步干燥后，進(jìn)行涂釉燒結(jié)或直接燒結(jié)。高溫?zé)Y(jié)時(shí)，陶瓷內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化及相變，如體積減小，密度增加，強(qiáng)度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達(dá)到所要求的物理性能和力學(xué)性能成型燒結(jié)將坯料用一定工具或模具制成一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的制品坯型（亦稱(chēng)生坯）保護(hù)氣體中燒結(jié)、真空中燒結(jié)、加壓燒結(jié)制粉壓制坯料燒結(jié)成品制粉壓制坯料燒結(jié)成品

三、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)Structureandpropertycharacteristicsofceramics

1.陶瓷材料的結(jié)構(gòu)陶瓷顯微組織示意圖晶相＋玻璃相＋氣相陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在晶體相玻璃相氣相各組成相的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布決定了陶瓷的性能。1)晶相：陶瓷材料中的主要組成相,對(duì)陶瓷的性能起決定性作用晶相中的結(jié)合鍵共價(jià)鍵：SiC,BN…

離子鍵：CaO,…Al2O3混合鍵實(shí)際陶瓷晶體與金屬晶體一樣也存在晶體缺陷，這些缺陷可加速陶瓷的燒結(jié)擴(kuò)散過(guò)程，還影響陶瓷性能。晶粒愈細(xì)，陶瓷的強(qiáng)度愈高。如剛玉（Al2O3）晶粒平均尺寸為200μm時(shí)，抗彎強(qiáng)度為74MPa，1.8μm時(shí)抗彎強(qiáng)度可高達(dá)570MPa陶瓷材料中往往同時(shí)存在多種晶相，對(duì)陶瓷性能起決定作用的晶相稱(chēng)主晶相，其余為次晶相2)玻璃相：玻璃相—一種非晶態(tài)固體，是陶瓷燒結(jié)時(shí)，各組成相與雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)形成的液相在冷卻凝固時(shí)形成的玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的組成相將分散的晶相粘結(jié)在一起降低燒結(jié)溫度抑制晶相的晶粒長(zhǎng)大填充氣孔玻璃相熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下開(kāi)始軟化，導(dǎo)致陶瓷在高溫下發(fā)生蠕變，且其中常有一些金屬離子而降低陶瓷的絕緣性。故工業(yè)陶瓷中玻璃相的數(shù)量要予以控制，一般<20~40%3)氣相有害：↓強(qiáng)度，↓電性能利用：↓比重，吸震，儲(chǔ)油氣相—指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常為5~10%，要力求使其呈球狀，均勻分布用作保溫的陶瓷和化工用的過(guò)濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時(shí)氣孔率可高達(dá)60％

2.陶瓷材料的性能特點(diǎn)

高硬度,高耐磨1)

力學(xué)性能陶瓷與金屬的拉伸曲線示意圖因表面及內(nèi)部的氣孔、微裂紋等缺陷，實(shí)際強(qiáng)度僅為理論強(qiáng)度的1/100~1/200。但抗壓強(qiáng)度高，為抗拉強(qiáng)度的10~40倍>1500Hv（淬火鋼500~800Hv，高聚物<20Hv）抗拉強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度較高E=100~400GPa。在拉伸時(shí)幾乎沒(méi)有塑性，在拉力作用下產(chǎn)生一定的彈性變形后直接斷裂高彈性模量，高脆性KIC

約為金屬的1/60~1/100

沖擊韌性、斷裂韌性低材料KIC/MPa.m1/245鋼90球墨鑄鐵20~40氮化硅陶瓷3.5~5晶須或纖維增韌異相彌散強(qiáng)化增韌氧化鋯相變?cè)鲰g顯微結(jié)構(gòu)增韌表面強(qiáng)化增韌復(fù)合增韌陶瓷增韌方法

熱性能：高熔點(diǎn)，小熱脹系數(shù)，低導(dǎo)熱，

小熱容2)物理化學(xué)性能一般在2000℃以上，故陶瓷高溫強(qiáng)度和高溫蠕變抗力優(yōu)于金屬隨氣孔率增加，陶瓷的熱脹系數(shù)、熱導(dǎo)率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作絕熱材料

電性能：絕緣體，半導(dǎo)體，超導(dǎo)體多數(shù)陶瓷具有高電阻率，良好的絕緣體：制作電氣工業(yè)中的瓷瓶、套管、絕緣子有些陶瓷具有特殊的光學(xué)性能紅寶石（α-Al2O3摻鉻離子）、釔鋁石榴石、含釹玻璃等可作固體激光材料；玻璃纖維可作光導(dǎo)纖維材料，此外還有用于光電計(jì)數(shù)、跟蹤等自控元件的光敏電阻材料磁性磁性陶瓷又名鐵氧體或鐵淦（gan)氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn等的氧化物組成的陶瓷材料，為磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁帶、磁頭等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化學(xué)穩(wěn)定性高，抗氧化性優(yōu)良，在1000℃高溫下不會(huì)氧化，并對(duì)酸、堿、鹽有良好的抗蝕性第二節(jié)工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料CERAMICMATERIALSFORENGINEERINGSTRUCTURES工業(yè)陶瓷功能陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷

一、普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷、粘土陶瓷）黏土，石英，長(zhǎng)石

25～30%35～60%1～3%（3Al2O3·2SiO2）莫來(lái)石＋

玻璃相

＋

氣相主要原料

組織主晶相硬度高，不會(huì)氧化生銹，不導(dǎo)電，耐1200℃高溫，加工成型性好，成本低廉玻璃相較多，強(qiáng)度較低，在較高溫度下易軟化，故耐高溫及絕緣性不及其它陶瓷性能特點(diǎn)用途日用陶瓷工業(yè)上主要用作絕緣的電瓷絕緣子和耐酸、堿的容器、反應(yīng)塔管道等，還可用于受力不大，工作溫度在200℃以下的結(jié)構(gòu)零件絕緣子，導(dǎo)紗器，耐蝕容器等絕緣子

二、特種陶瓷Specialceramics

1.氧化鋁陶瓷根據(jù)Al2O3含量不同，分為

75瓷（

）又稱(chēng)剛玉-莫來(lái)石瓷

95瓷、99瓷，又稱(chēng)剛玉瓷Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，氣孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工藝愈復(fù)雜，成本愈高以Al2O3為主要成分，含少量SiO2的陶瓷主要原料主晶相Al2O3性能特點(diǎn)氧化鋁陶瓷強(qiáng)度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉強(qiáng)度達(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1600℃下長(zhǎng)期工作，在空氣中的最高使用溫度達(dá)1980℃；耐蝕性和絕緣性好；脆性大，抗熱振性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化內(nèi)燃機(jī)火花塞的絕緣體，坩堝，刀具，活塞，軸承，密封環(huán)…

火花塞活塞刀具坩堝用途

2.氮化硅陶瓷主要原料以Si3N4為主要成分熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷按生產(chǎn)工藝不同熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷以Si3N4粉為原料，加入少量添加劑，裝入石墨模具中，在1600～1700℃高溫和20～30MPa的高壓下燒結(jié)成型，得到組織致密，氣孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形狀簡(jiǎn)單的制品反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷以硅粉或硅粉與Si3N4粉的混合料，壓制成型后，放入滲氮爐中進(jìn)行滲氮處理，直到所有的硅都形成氮化硅，得到尺寸相當(dāng)精密的氮化硅制品。但此制品中有20～30％的氣孔，故強(qiáng)度不及熱壓燒結(jié)制品，與95瓷相近。性能優(yōu)異，易于加工主晶相Si3N4性能特點(diǎn)硬度高，摩擦系數(shù)小（0.1～0.2），有自潤(rùn)滑性，是極優(yōu)的耐磨材料蠕變抗力高，熱脹系數(shù)小，抗熱振性能在陶瓷中是最好的化學(xué)穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，能耐各種酸、王水和堿液的腐蝕，也能抗熔融金屬的侵蝕；因氮化硅是共價(jià)鍵晶體，既無(wú)自由電子也無(wú)離子，具有優(yōu)異的電絕緣性能

軸承葉片刀具密封環(huán)反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷—耐磨、耐高溫，耐腐蝕，形狀復(fù)雜且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封環(huán)、高溫軸承、熱電偶套管、燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片等；熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷—制造形狀簡(jiǎn)單的耐磨、耐高溫零件和工具。如切削刀具、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)刮片、高溫軸承等用途

3.碳化硅陶瓷良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，主要用于制作火箭噴管的噴嘴，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主要原料主晶相SiC反應(yīng)燒結(jié)熱壓燒結(jié)性能特點(diǎn)高溫強(qiáng)度高，工作溫度可達(dá)1600～1700℃.1400℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度為500～600MPa有很好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性、耐蝕性，且耐輻射用途陶瓷材料的應(yīng)用實(shí)例脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔艙短時(shí)耐3000度高溫第一級(jí)點(diǎn)火燃燒時(shí)耐P>2107Pa正向壓力隔艙材料完好無(wú)損，良好的氣密性第二級(jí)點(diǎn)火燃燒時(shí)隔艙受到反向壓力P>5106Pa正向壓力，瞬間產(chǎn)生粉碎性破壞，最大碎片尺寸6mm.選擇陶瓷材料！原因是陶瓷材料抗壓不抗拉P>2107PaP=5106Pa第一級(jí)點(diǎn)火第二級(jí)點(diǎn)火第三節(jié)金屬陶瓷CERMETS

金屬陶瓷——以金屬氧化物（如、等）或金屬碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）為主要成分，再加入適量金屬粉末（如Co、Cr、Fe、Ni、Mo等），通過(guò)粉末冶金方法制成的具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷Al2O3ZrO2金屬陶瓷是金屬切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料

一、粉末冶金方法及其應(yīng)用Powdermetallurgymethodanditsapplication

1.粉末冶金法的基本工藝過(guò)程1—原始粉末2—添加劑粉末3—混料4—壓制5—燒結(jié)6—成品粉末冶金：陶瓷生產(chǎn)工藝在冶金中的應(yīng)用。用粉末制備、壓制成型并經(jīng)過(guò)燒結(jié)而制成零件或者毛坯，這種方法稱(chēng)為粉末冶金粉末制備壓制成型燒結(jié)后處理包括粉末制取、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，性能愈好１.粉末制備多采用冷壓法，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。2.壓制成型將壓制成型的坯體放入通過(guò)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(guò)擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)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3.燒結(jié)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4.后處理加工

2.粉末冶金的應(yīng)用用碳鋼或合金鋼的粉末為原料，采用粉末冶金方法制造結(jié)構(gòu)零件。這種零件的精度較高、表面光潔，不須或少須切削加工即為成品零件減摩材料

含油軸承利用粉末冶金材料的多孔性，將材料浸在潤(rùn)滑油中，在毛細(xì)力作用下，可吸附大量潤(rùn)滑油（一般含油率達(dá)12～30％），從而減摩含油軸承材料鐵基（Fe+石墨、Fe+S+石墨）銅基（Cu+Sb+Pb+Zn+石墨）結(jié)構(gòu)材料如，用碳鋼、合金鋼粉末燒結(jié)成油泵齒輪、電鉆齒輪、凸輪、襯套…高熔點(diǎn)金屬材料W、Mo、WC、TiC等金屬及金屬化合物熔點(diǎn)高（＞2000℃），用熔煉和鑄造方法生產(chǎn)較難，且不易保證其純度和冶金質(zhì)量。這些材料可以通過(guò)粉末冶金生產(chǎn)，如各種金屬陶瓷、鎢絲及Mo、Ta、Nb等難熔金屬和高溫合金。特殊電磁性能材料如硬磁材料、軟磁材料，多孔過(guò)濾材料，假合金材料

粉

末

冶

金

制

品

二、金屬陶瓷硬質(zhì)合金Cermethardalloys

——以金屬碳化物(如WC,TiC,TaC等）為基體，再加入適量金屬(如Co,Ni,Mo等)粉末作黏結(jié)劑燒結(jié)而成的、具有高硬度、金屬性質(zhì)的粉末冶金材料Co基體WC

1.硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)及加工裝夾

高硬度,86～93HRA（相當(dāng)于69～81HRC）

高熱硬性,可維持到

900～1000℃1)優(yōu)點(diǎn)

高耐磨性

高抗壓強(qiáng)度，高彈性模量作為切削刀具，其耐磨性、壽命和切削速度比高速鋼顯著提高抗壓強(qiáng)度高（6000MPa），抗彎強(qiáng)度低（只有鋼的1/3～1/2），彈性模量高（是高速鋼的2～3倍），韌性差（約為淬火鋼的30～50％）

良好的耐蝕性、抗氧化性,熱膨脹系數(shù)小抗彎強(qiáng)度低,只有高速鋼的1/3～1/2左右

韌性很差,約為淬火鋼的

30%～50%2)缺點(diǎn)

導(dǎo)熱性差因抗彎強(qiáng)度低、脆性大、導(dǎo)熱性差，故在加工、作用過(guò)程中要避免沖擊和溫度急劇變化硬度高，無(wú)法進(jìn)行切削加工，可采用電加工（電火花、線切割）和專(zhuān)門(mén)砂輪磨削加工3)加工及裝夾

電加工和切削電火花加工線切割金剛砂輪磨削

裝夾粘結(jié)釬焊機(jī)械裝夾

2.硬質(zhì)合金的分類(lèi)、編號(hào)及應(yīng)用1)硬質(zhì)合金分類(lèi)及編號(hào)(1)鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金(WC+Co)(2)鎢鈷鈦類(lèi)硬質(zhì)合金(WC+TiC+Co)(3)通用硬質(zhì)合金(WC+TiC+TaC+NbC+Co)YW×

硬萬(wàn)順序號(hào)比鎢鈷類(lèi)：高硬度,耐磨,熱硬性好,強(qiáng)度低熱硬性高，其介于鎢鈷類(lèi)和鎢鈷鈦類(lèi)之間YT×

硬鈦YG××硬

鈷C：粗顆粒，如YG8CX：細(xì)顆粒，如YG6X

A：加少量TaC,如YG6A鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金由WC和Co組成代號(hào)：YG×

YG－“硬”、“鈷”，×－鈷的含量。如：YG6表示wCo=6%，余量為WC的鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金鎢鈷鈦類(lèi)硬質(zhì)合金由WC、TiC和Co組成代號(hào)：YT×

YT－“硬”、“鈦”，×－TiC含量如：YT15表示wTiC=15%，余量為WC和Co的鎢鈷鈦類(lèi)硬質(zhì)合金在硬質(zhì)合金中，WC越多，Co越少，則硬度、熱硬性及耐磨性越高，但強(qiáng)度及韌性越低當(dāng)Co含量相同時(shí)，含TiC的硬質(zhì)合金硬度、耐磨性高，且因合金表面有一層TiO薄膜，切削時(shí)不易粘刀，熱硬性高；但強(qiáng)度和韌性比鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金低通用硬質(zhì)