1、第十章陶瓷材料l第一節第一節 概述概述l 一、陶瓷材料的特點一、陶瓷材料的特點l 二、陶瓷材料的分類二、陶瓷材料的分類l第二節第二節 常用工業陶瓷常用工業陶瓷l 一、普通陶瓷一、普通陶瓷l 二、新型結構陶瓷二、新型結構陶瓷l一、陶瓷材料的特點一、陶瓷材料的特點 l1、陶瓷材料的相組、陶瓷材料的相組成特點成特點l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三種不同的相組成，種不同的相組成，即晶相即晶相(1)、玻璃相、玻璃相(2)和氣相和氣相(3)氣孔氣孔。 材料致密度、降材料致密度、降低燒結溫度和抑低燒結溫度和抑制晶粒長大制晶粒長大.l氣相是在工藝過氣相是在工藝過程中形成并保留程中形成并保留下來的。下來的。l

2、晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學性質的主要是晶相。物理化學性質的主要是晶相。l玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高l2、陶瓷材料的結合鍵特點、陶瓷材料的結合鍵特點l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵(如如Al2O3)、共、共價鍵價鍵(如如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。及兩者的混合鍵為主。共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵l3、陶瓷材料的性能特點、陶瓷材料的性能特點 l陶瓷材料具有高熔點

3、、高陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高化學穩定性，耐硬度、高化學穩定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。特性。l陶瓷材料還具有密度小、陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強彈性模量大、耐磨損、強度高等特點。度高等特點。l功能陶瓷還具有電、光、功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。磁等特殊性能。 l4、陶瓷材料的工藝特點、陶瓷材料的工藝特點l陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。l燒結體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在燒結體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界

4、，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。的問題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結組織粉末的燒結組織ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔l二、陶瓷材料的分類二、陶瓷材料的分類l1、按化學成分分類、按化學成分分類 l可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。物陶瓷及其它化合物陶瓷。導電玻璃導電玻璃玻璃幕墻玻璃幕墻l2、按使用的原材料分類、按使用的原材料分類 l可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。l普通陶瓷以天然的巖石、普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料礦石、黏土等材料作原料.l特種

5、陶瓷采用人工合成的特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。材料作原料。 l3、按性能和用途分類、按性能和用途分類 l可將陶瓷材料分為結構陶可將陶瓷材料分為結構陶瓷和功能陶瓷兩類。瓷和功能陶瓷兩類。 陶瓷零陶瓷零件件l一、普通陶瓷一、普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、長石、長石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2)為原料，經成型、燒結而成的陶瓷。為原料，經成型、燒結而成的陶瓷。l其組織中主晶相為莫來石其組織中主晶相為莫來石(3Al2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，氣相占，氣相占1

6、3%。l普通陶瓷加工成型性好普通陶瓷加工成型性好,成本低，產量大。成本低，產量大。l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業部門建筑、紡織等工業部門. 景德鎮瓷器景德鎮瓷器絕緣子絕緣子l 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 l氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成為主要成分分, 含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、氣動陶密封、氣動陶瓷配件瓷配件l據據Al2O3含量不同分為含量不同分為75瓷瓷(含含75%Al2O3，又稱剛，又稱剛玉玉-莫來石瓷莫來石瓷)、9

7、5瓷和瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷瓷，后兩者又稱剛玉瓷.l氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950,。具。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高極高(僅次于金剛石僅次于金剛石). 95瓷紡織件瓷紡織件99瓷紡織件瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷密封環氧化鋁陶瓷密封環氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝l氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝堝、熱偶套管熱偶套管, , 淬火鋼的淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，切削刀具、金屬

8、拔絲模，內燃機的火花塞，火箭、內燃機的火花塞，火箭、導彈的導流罩及軸承等。導彈的導流罩及軸承等。 l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面體組成的共四面體組成的共 價鍵固體。價鍵固體。l 氮化硅的制備與燒結工藝氮化硅的制備與燒結工藝l工業硅直接氮化：工業硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4l二氧化硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO燒結工藝燒結工藝優點優點 缺點缺點 反應燒結反應燒結 燒結時幾乎沒有收縮，能燒結時幾乎沒有收縮，能得到復雜的形狀得到復雜的形狀 密度低，強度低，耐蝕密度低，強度低，耐蝕性差性差 熱壓燒結熱壓燒

9、結 用較少的助劑就能致密化，用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好強度、耐蝕性最好 只能制造簡單形狀，燒只能制造簡單形狀，燒結助劑使高溫強度降低結助劑使高溫強度降低 l 性能特點及應用性能特點及應用l氮化硅的強度、比強度、比模量高；硬度僅次于氮化硅的強度、比強度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數僅為金剛石、碳化硼等；摩擦系數僅為0.10.2；熱膨；熱膨脹系數小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化脹系數小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學穩定性高。學穩定性高。l熱壓燒結氮化硅熱壓燒結氮化硅用于形狀簡單、用于形狀簡單、精度要求不高的精度要求不高的零件，如切削刀零件，如切削刀具、高溫

10、軸承等具、高溫軸承等.Si3N4軸承軸承l反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的零件，如機械密封環等。零件，如機械密封環等。汽輪機轉子汽輪機轉子葉片氣閥等零葉片氣閥等零件件l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷l碳化硅是通過鍵能很高碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結合的晶體。的共價鍵結合的晶體。l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱加焦碳直接加熱至高溫還原而成：至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很

11、難燒結，需添碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結，需添加燒結助劑促進燒結，常加的助劑有硼、碳、鋁等加燒結助劑促進燒結，常加的助劑有硼、碳、鋁等.常壓燒結碳化硅常壓燒結碳化硅l碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導能力很強，損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導能力很強，僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造火箭噴碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃氣輪機葉偶套管、爐管、燃氣輪機葉片及軸承，泵的密封圈、拉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型

12、模具等。絲成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承SiC陶瓷件陶瓷件l 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷l氧化鋯的晶型轉變：立方相氧化鋯的晶型轉變：立方相 四方相四方相 單斜相單斜相。四方相轉變為單斜相非常迅速，四方相轉變為單斜相非常迅速， 引起很大的體積引起很大的體積變化，易使制品開裂。變化，易使制品開裂。ZrO2l在氧化鋯中加入某些氧化物在氧化鋯中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成穩定立方固溶體，不再發生相變，具有能形成穩定立方固溶體，不再發生相變，具有這種結構的氧化鋯稱為完全穩定氧化鋯這種結構的氧化鋯稱為完全穩定氧化鋯(FSZ)，其，其力學性能低，抗熱沖擊性差力學性能低，

13、抗熱沖擊性差.l減少加入的氧化物數量，減少加入的氧化物數量，使部分氧化物以四方相的使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩定，只使一部分氧化鋯穩定，所以稱部分穩定氧化鋯所以稱部分穩定氧化鋯(PSZ)。 l氧化鋯中四方相向單斜相的轉變可通過應力誘發產氧化鋯中四方相向單斜相的轉變可通過應力誘發產生。當受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使生。當受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而裂紋尖端的應力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。大幅度提高陶瓷材料的韌性。部分穩定氧化鋯組織部分穩定氧化鋯組織l部分穩定氧化鋯的導熱率部分穩定氧化鋯的導熱率低，絕熱性好；熱膨脹系低，絕熱性好；熱膨脹系數大，接近于發動機中使數大，接近于發動機中使用的金屬，抗彎強度與斷用的金屬，抗彎強度與