陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础.pptx

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1、、陶瓷晶体中正、负离子的堆积方式：在离子（陶瓷）晶体中正、负离子的堆积方式取决于以下两个因素：正负离子的电荷大小：晶体必须保持电中性,（所有正离子的正电荷应等于所有负离子的负电荷）正负离子的相对大小：由于正负离子的外层电子形成封闭的壳层，因此可将离子简化为具有一定半径的刚性球体。第1页/共54页在离子晶体中，一些原子失去最外层电子而变成正离子，另一些原子则得到最外层电子而成为负离子。因此，在离子晶体中，通常正离子小于负离子，即：rc/rA 1rc和rA分别代表正负离子的半径。一些正负离子的半径,如表3-1所示第2页/共54页第3页/共54页为了降低晶体的总能量，正、负离子趋于形成尽可能紧密的堆

2、积.即：一个正离子趋于有尽可能多的负离子为邻。一个正离子周围的最近邻负离子数称为配位数。因此，一个最稳定的结构应当有尽可能大的配位数，而这个配位数又取决于正、负离子的半径之比。图第4页/共54页第5页/共54页由图可知只有当rc/rA 等于或大于某一（最小）临界值后，某一给定的配位数结构才是稳定的。这个临界值就是当正离子与它周围的负离子相切，而且这些负离子也彼此相切时，正、负离子直径的半径比。表第6页/共54页第7页/共54页以上关于临界离子半径比值的概念完全是从几何角度考虑的，对于许多离子晶体很有效。但也有例外情况，即配位数有时可大于离子半径比值所允许的数值。这是由于以上中把离子看成刚性球体

3、。而实际上正离子周围的负离子可以通过变形使配位数增大，另外，化合物中具有方向性的共价键也会起类似的作用。（举例说明书）第8页/共54页CsCl晶胞图：Cl-离子按简单立方结构排列，正离子Cs+位于立方体的间隙。由于正负离子数相等，所以立方体的间隙都是填满的。致密度和晶格常数的计算：配位数：8所有立方体间隙都是添满的不是体心立方，是简单立方的Cl-Cs+第9页/共54页陶瓷材料的成分是多种多样的，从简单的化合物到由多种复杂的化合物构成的混合物。陶瓷材料的主要成分主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等。第10页/共54页2、常见陶瓷晶体类型AX型陶瓷晶体（1）CsCl型 （2）NaCl型（3）

4、ZnS闪锌矿型结构（4）纤维锌矿型结构AmXp型陶瓷晶体（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构（2）刚玉（Al2O3）结构（以下分别介绍）第11页/共54页AX型陶瓷晶体AX型陶瓷晶体是最简单的陶瓷化合物，它们具有数量相等的金属原子和非金属原子。它们可以是离子型化合物，如MgO，其中两个电子从金属原子转移到非金属原子，而形成阳离子（Mg2+）和阴离子（O2）。AX化合物也可以是共价型，价电子在很大程度上是共用的。硫化锌（ZnS）是这类化合物的一个例子。第12页/共54页AX化合物的特征是：A和X原子或离子是高度有序的，属于这类结构的有：（1）CsCl型 （2）NaCl型 （3）ZnS闪锌矿

5、型 （4）纤维锌矿型 （以下分别介绍）第13页/共54页（1）CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子（或离子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子）也处于8个A原子的中心。但应该注意的是，这种结构并不是体心立方的。确切的说，它是简单立方的，它相当于把简单立方的A原子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的中心位置而形成。第14页/共54页第15页/共54页（2）NaCl型NaCl型的结构是：负离子Cl-为面心立方点阵；而正离子Na+位于其晶胞和棱边的中心(八面体间隙位置)。其原子排列情况所示。每个Na+周围有六个Cl-，即配位数为6。空心圆为空心圆为Na+，实心圆为，实心圆为Cl-第16

6、页/共54页（3）闪锌矿型结构：这类结构原子排列属于面心立方空间点阵。一种原子占据点阵结点，另一种原子占据四面体间隙的一半。该晶体结构基本上为共价键，Zn、S原子的配位数都为4。形成的陶瓷材料很硬很脆。许多半导体化合物属于此类结构。属于闪锌矿型结构的陶瓷材料有ZnS、高温下的BeO等；第17页/共54页（4）纤维锌矿型结构：属于简单六方空间点阵。一种原子占据点阵结点，另一种原子占据四面体间隙的一半。Zn、S原子的配位数都为4。属于这类结构的陶瓷材料有BeO、ZnO等。第18页/共54页 AmXp型陶瓷晶体（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构：萤石（CaF2）型结构：钙离子（Ca+）位于点

7、阵的结点位置，氟离子（）填满所有四面体的间隙（八面体全空）如UO2可做核燃料，而核裂变的产物可留在这些空间处。第19页/共54页逆萤石型结构：如果负离子位于点阵的结点位置，正离子填满所有四面体的间隙（八面体全空），这样结构中正、负离子的配置与正常的CaF2结构刚好相反，因此，称为反CaF2结构（逆萤石型结构）。具有这种结构的氧化物有：Li2O，Na2O，K2O。第20页/共54页（2）刚玉（Al2O3）结构这种结构的氧离子（负离子）具有密排六方的排列，正离子占据八面体间隙的三分之二。具有这种结构的氧化物有：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、Ga2O3、Rh2O3等。（G

8、a镓、Rh铑）第21页/共54页其它：尖晶石型结构（AB2O4）（书P51）正常尖晶石型结构 反尖晶石型结构（较多见）这类化合物是重要的非金属磁性材料，钙钛矿型结构：这类结构对压电材料很重要。第22页/共54页压电效应：物质在受机械压缩或拉伸变形时，在它们两对面的界面上将产生一定的电荷，形成一定的电势。反之，在它们的两界面上加以一定的电压，则将产生一定的机械变形，这一现象称为压电效应。（超声加工中应用）第23页/共54页、硅酸盐化合物许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，另一方面则是因为它们具有在工程上有用的某些独特性能。工程建筑材料中的玻璃、硅酸盐水泥、和砖等。另外，许多重

9、要的电绝缘材料也是由硅酸盐制成的。第24页/共54页（1）硅酸盐四面体单元硅酸盐的基本结构单元为硅酸根（SiO44）四面体。其中，四面体的顶角上有四个氧原子，四面体的中间间隙位置上有一个硅原子。将四面体连接在一起的力包含离子键和共价键（这是Si-O键的性质所决定的，其中大约40%为离子键）；因此，四面体的结合很牢固。各四面体单元之间通常只在顶角之间以不同方式连接，而很少在棱边之间连接。第25页/共54页（2）硅酸盐化合物的几种类型按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几种类型：孤立状硅酸盐复合状硅酸盐环状或链状硅酸盐层状硅酸盐 立体网络状硅酸盐 第26页/共54页孤立状硅酸盐（岛状结构单元

10、）其单元体(SiO44）互相独立，不发生相互连接。化学组成一般可以表示为2ROSiO2。其中RO表示金属氧化物如MgO、CaO、FeO等。具有这类结构的有橄榄石和石榴石等。第27页/共54页复合状硅酸盐（双四面体结构单元）由两个(SiO44）单元体连接在一起，可能有的连接方式很多，其中最简单的方式如图所示。属于这类结构的有镁方柱石、Ca2MgSi2O7（黄长石）等。第28页/共54页（3）环状或链状硅酸盐(SiO44）四面体的两个顶点（氧离子）为相邻两个四面体所共有时，形成各种环状或链状结构。这类硅酸盐结构的化学组成可以表示为ROSiO2。具有环状类结构的硅酸盐：蓝锥石和绿柱石（书）具有链状类

11、结构的硅酸盐：辉石如：顽辉石（MgSiO3)、透辉石MgCa(SiO3)2；透闪石(OH，F)2Ca2Mg5Si8O22等。第29页/共54页层状硅酸盐此类结构中，四面体具有三个共有顶点（氧离子），构成了二维网络的层状结构。化学组成可以表示为RO2SiO2。通常粘土矿物、云母矿、滑石矿具有这种结构。第30页/共54页立体网络状硅酸盐若硅氧四面体中的四个顶点均共有，则形成立体网络结构。具有这类结构的硅酸盐有石英（SiO2）等。（书）第31页/共54页(二)、玻璃相l玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。烧结温度和抑制晶粒长大。l玻璃相产生

12、过程：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。玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间网,形成玻璃的骨架。玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物 第32页/共54页(三)、气相气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。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5%10 特种陶瓷5以下 金属陶瓷低于0.5。第33页/共54页二、陶瓷材料的分类二、陶瓷材料的分类1、按化学成分分类、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物陶瓷氮化物陶瓷及及其它化合物陶瓷

13、其它化合物陶瓷。导电玻导电玻璃璃玻璃幕玻璃幕墙墙第34页/共54页2、按使用的原材料分类、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。普通陶瓷普通陶瓷以天然的岩石、以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原矿石、黏土等材料作原料。料。特种陶瓷特种陶瓷采用人工合成采用人工合成的材料作原料。的材料作原料。3、按性能和用途分类、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为结构结构陶瓷陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两类。两类。陶瓷零件陶瓷零件第35页/共54页三、常用工业陶瓷三、常用工业陶瓷 工程陶瓷的生产过程：原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。原料制备 将矿物

14、原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得到坯料。坯料成形 将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺（12501450）；烧结是指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。第36页/共54页（一）普通陶瓷（一）普通陶瓷 普通陶瓷是用普通陶瓷是用粘土粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和和石英石英(SiO2)为原料

15、，经为原料，经成型成型、烧结烧结而成的陶瓷。而成的陶瓷。其组织中其组织中主晶相主晶相为为莫来石莫来石(3Al2O32SiO2)，占占2530%，玻璃相玻璃相占占3560%，气相气相占占13%。第37页/共54页普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。成本低，产量大。除除日用陶瓷日用陶瓷、瓷器外瓷器外，大量用于大量用于电器电器、化工化工、建筑建筑、纺织纺织等工业部门。等工业部门。景景德德镇镇瓷瓷器器绝绝缘缘子子第38页/共54页（二）新型结构陶瓷（二）新型结构陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷以以Al2O3为为主主要要成成分分,含含有有少少量量SiO2的的陶陶瓷

16、瓷，又又称称高高铝铝陶瓷。陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、气动密封、气动陶瓷配件陶瓷配件单相单相AlAl2 2OO3 3陶瓷组织陶瓷组织第39页/共54页根根据据Al2O3含含量量不不同同分分为为75瓷瓷(含含75%Al2O3，又又称称刚玉刚玉-莫来石瓷莫来石瓷)、95瓷瓷和和99瓷瓷，后两者又称，后两者又称刚玉瓷刚玉瓷。氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷耐耐高高温温性性能能好好，可可使使用用到到1950,。具具有有良良好好的的电电绝绝缘缘性性能能及及耐耐磨磨性性。微微晶晶刚刚玉玉的的硬硬度度极极高高(仅次于金刚石仅次于金刚石).95瓷纺织件瓷纺织件99瓷纺织件瓷纺织件氧

17、化铝耐高温喷嘴氧化铝耐高温喷嘴第40页/共54页氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷转心球阀氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷密密封封环环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷被广泛用作被广泛用作耐火材料耐火材料，如耐火砖、坩埚、，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的热偶套管，淬火钢的切削切削刀具刀具、金属拔丝模金属拔丝模，内燃内燃机的火花塞机的火花塞，火箭火箭、导弹导弹的导流罩的导流罩及及轴承轴承等。等。第41页/共54页 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面体组成的共四面体组成的共 价键固体。价键固体。氮化硅的制备与烧结工艺氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化工业硅直

18、接氮化：3Si+2N2Si3N4二氧化硅还原氮化二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO烧结工艺烧结工艺优点优点 缺点缺点 反应烧结反应烧结 烧结时几乎没有收缩，烧结时几乎没有收缩，能得能得到复杂的形状到复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀性密度低，强度低，耐蚀性差差 热压烧结热压烧结 用较少的助剂就能致密化，用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状只能制造简单形状，烧结，烧结助剂使高温强度降低助剂使高温强度降低 第42页/共54页 性能特点及应用性能特点及应用氮化硅氮化硅的强度高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩的强度高；硬度仅次于金刚石、碳化

19、硼等；摩擦系数仅为擦系数仅为0.10.2；热膨胀系数小；抗热震性大大；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。l热压烧结热压烧结氮化硅氮化硅用于形状简单、用于形状简单、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、高温轴承等。具、高温轴承等。Si3N4轴承轴承第43页/共54页反应烧结氮化硅反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。件，如机械密封环等。汽轮机转子汽轮机转子叶片气阀等零件叶片气阀等零件第44页/共54页 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷碳化硅是通过键能很高碳化

20、硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。的共价键结合的晶体。碳化硅是用碳化硅是用石英沙石英沙(SiO2)加加焦碳焦碳直接加热至直接加热至高温还原高温还原而成：而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的烧结工艺碳化硅的烧结工艺也有也有热压热压和和反应烧结反应烧结两种。由于两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加加烧结助剂烧结助剂促进烧结，常加的助剂有促进烧结，常加的助剂有硼硼、碳碳、铝铝等。等。常压烧结碳化硅常压烧结碳化硅第45页/共54页碳化硅碳化硅的最大特点是的最大特点是高温强度高高温强度高，有很好的，有很好的耐磨损耐磨损、耐腐蚀耐

21、腐蚀、抗蠕变性能抗蠕变性能，其，其热传导能力很强热传导能力很强，仅次于，仅次于氧化铍陶瓷。氧化铍陶瓷。SiC密封件密封件第46页/共54页碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷用于制造火箭用于制造火箭喷喷嘴嘴、浇注金属的、浇注金属的喉管喉管、热电热电偶套管偶套管、炉管炉管、燃气轮机、燃气轮机叶叶片片及及轴承轴承，泵的，泵的密封圈密封圈、拉拉丝成型模具丝成型模具等。等。SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC轴承轴承第47页/共54页 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变氧化锆的晶型转变：立方相：立方相 四方相四方相 单斜相。四方相单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使转变为单斜相非常迅速

22、，引起很大的体积变化，易使制品开裂。制品开裂。ZrO2氧氧化化锆锆单单相相陶陶瓷瓷第48页/共54页在在氧化锆中氧化锆中加入某些氧化物加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成能形成稳稳定立方固溶体定立方固溶体，不再发生相变不再发生相变，具，具有这种结构的氧化锆称为有这种结构的氧化锆称为完全稳定完全稳定氧化锆氧化锆(FSZ)，其，其力学性能低力学性能低，抗抗热冲击性差热冲击性差。ZrOZrO2 2陶瓷陶瓷耐火件耐火件第49页/共54页l减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。部分稳定氧化锆组织第50页

23、/共54页部分稳定氧化锆部分稳定氧化锆的导热率低，的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除抗弯强度与断裂韧性高，除在在常温常温下下使用使用外，已外，已成为绝成为绝热柴油机的主要侯选材料热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。等。部分稳定氧化锆制品部分稳定氧化锆制品第51页/共54页氧化锆中四方相向单斜氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱相的转变可通过应力诱发产生。发产生。当受到外力作当受到外力作用时，这种相变将吸收用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。高陶瓷材料的韧性。第52页/共54页氧化锆制品氧化锆制品氧化锆油泵氧化锆油泵氧化柱塞氧化柱塞氧化锆拉线轮氧化锆拉线轮氧化锆球阀氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层部分稳定氧化锆喷涂层增增韧韧氧氧化化锆锆导导轮轮芯芯轴轴第53页/共54页谢谢您的观看！第54页/共54页