工程材料 第十章 陶瓷材料.ppt
第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料一、陶瓷材料基本知识1.陶瓷材料的含义陶瓷陶器、瓷器玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等粘土、石灰石、长石、石英硅酸盐类材料传统陶瓷现代陶瓷各种无机非金属材料2陶瓷分类陶瓷材料普通陶瓷特种陶瓷利用天然硅酸盐矿物为原料制成的陶瓷(传统陶瓷)利用人工合成原料制成的陶瓷(新型陶瓷或现代陶瓷)特种陶瓷结构陶瓷(工程陶瓷)功能陶瓷32.陶瓷材料的结合键陶瓷材料的结合键：离子键、共价键一价、二价金属氧化物：离子键共价键MgO，离子键84%，共价键16%三价、四价的氧化物、氮化物、碳化物：离子键共价键SiC，离子键18%，共价键82%4二、陶瓷材料的组织与结构普通陶瓷的典型组织：晶体相、玻璃相、气相特种陶瓷组成较单一，如：Al2O3(95%)陶瓷主要晶体相和少量的气相51.晶体相晶体相以化合物或化合物为基的固溶体 主 晶 相决定陶瓷的性能 次 晶 相 第三晶相按组成分：氧 化 物：氧化铝、氧化钛非氧化物：碳化物、氮化物含氧酸盐：硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐6(1)氧化物晶相典型氧化物萤石结构(ThO2)刚玉结构(Al2O3)岩盐结构(MgO)氧化物的结构及特点：氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。7(2)非氧化物晶相共价键和金属键之间的过渡键,以共价键为主。第一类：间隙相：TiC、ZrC、VC、NbC和TaC第二类：复杂碳化物：v斜方结构的Fe3C、Mn3C、Co3C、Ni3C和Cr3C2,v立方结构的Cr23C6、Mn23C6,v六方结构的WC、MoC和Cr7C3、Mn7C3v复杂结构的Fe3W3C金属碳化物8氮化物含有一定的离子键结构：六方晶格BN，六方晶系的Si3N4和AlN。较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单元。硼化物和硅化物9(3)硅酸盐晶体相普通陶瓷的主要原料，结合键：离子键、共价键 构成硅酸盐的基本单元：硅氧四面体结构硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结102.玻璃相陶瓷坯体在烧成过程中，由于复杂的物理化学反应，产生不均匀(不平衡)的酸性和碱性氧化物的熔融液相。冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时,熔体硬化，转变为玻璃。玻璃相产生过程11v粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；v降低烧成温度，加快烧结；v阻止晶体转变，抑制其长大；v获得透光性等玻璃特性。玻璃相作用不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。12气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。3.气相陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶 瓷和多孔陶瓷。气孔对陶瓷的性能不利 （多孔陶瓷除外）气孔率普通陶瓷：510 特种陶瓷：5金属陶瓷：0.513三、陶瓷材料的性能1.力学性能(1)弹性模量和硬度材料 弹性模量/MPa 硬度/HV 橡胶 6.9 很低 塑料 1380 17 铝合金 72300 170 钢 207000 300800 碳化钛 390000 3000 金刚石 1140000 600010000 原因：陶瓷材料牢固的离子键和共价键14(2)强度v晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；v晶界上原子间键被拉长,键强度被削弱；v相同电荷离子的靠近产生斥力,会造成裂缝；v致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。实际强度比理论值低得多，理论值E/10E/5，实际值(E/1000 E/100)陶瓷的强度特征原因陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。15(3)塑性陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大；共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大；陶瓷在室温下几乎没有塑性在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一定的塑性。(3)韧性冲击韧性：10kJ/m2以下，断裂韧性值很低。非常典型的脆性材料163.2 物理性能线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低(1)热膨胀性能(2)导热性由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料(3)热稳定性热稳定性很低(比金属低得多)变化范围很广：由于缺乏电子导电机制,多数陶瓷是良好的绝缘体;不少陶瓷既是离子导体,又有一定的电子导电性;许多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。(4)导电性173.3 化学性能结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料：金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发生作用；对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生作用。18四、工程陶瓷简介1.普通陶瓷普通陶瓷(传统陶瓷)以高岭土(Al2O32SiO2H2O)和长石(钾长石K2OAl2O3SiO2、钠长石Na2OAl2O36SiO2)和石英(SiO2)组成的，主晶相为莫来石(3Al2O32SiO2)。利用天然硅酸盐矿物为原料制成的陶瓷，性能特点：具有高的硬度、良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性，用途：生活器皿，建筑用瓷、电器绝缘瓷、化工瓷等。192.特种陶瓷(1)氧化物陶瓷Al2O3(刚玉)陶瓷是应用最广的氧化物陶瓷，它具有高的强度和高温强度、高的化学稳定性和介电性，但热稳定性差。应用：高速切削工具、量规、拉丝模、绝热材料和坩埚材料等。(2)碳化物陶瓷碳化物陶瓷主要有SiC、WC、TiC等。碳化物陶瓷硬度高、熔点高、抗氧化，但不抗强碱。具有较高的高温强度和热传导能力、较高的耐磨性、耐蚀性和热稳定性，主要用作加热元件、砂轮等。(3)氮化物陶瓷氮化物陶瓷主要有Si3N4、BN等，它们的特点是熔点高、耐磨性好，化学稳定性高。BN陶瓷能耐高温、并有自润滑性，可作高温耐摩擦零件。立方BN硬度极高，制作高硬度金属的切削工具。20
