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1、第六讲第六讲先进陶瓷材料及其应用先进陶瓷材料及其应用第六讲第六讲先进陶瓷材料及其应用先进陶瓷材料及其应用主讲：张菁主讲：张菁材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室问题提出问题提出问题提出问题提出在许多苛刻的工作环境下，如在许多苛刻的工作环境下，如高温高温、介质、机械介质、机械等等，需要材料具备抵抗的能力。，需要材料具备抵抗的能力。，需要材料具备抵抗的能力。，需要材料具备抵抗的能力。2Application of Advanced Ceramics 问题提出问题提出问题提出问题提出?例如，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高例如，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和

2、温度急变。温和温度急变。温和温度急变。温和温度急变。火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦，复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等，火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦，复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等，3Application of Advanced Ceramics 微软用户2幻灯片 3幻灯片 3微软用户2 微软用户2 航空航天用陶瓷 特种陶瓷在航空航天中的最新应用研究主要集中在：火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦，复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等，尤其是对具有轻质耐热耐烧蚀高熔点高强度的陶瓷纤维的研制开发非常热门；另外，就能够保持宇宙飞船的观察窗在有雾和结冰情况下

3、仍清晰的耐高温玻璃陶瓷涂层研究也有相当数量；此外，最近有些研究工作者将注意力集中在航天飞机发动机用轻质复合陶瓷工程材料上。微软用户,2007-4-2问题提出问题提出问题提出问题提出 迫切要求研制与发展高温高强并迫切要求研制与发展高温高强并具有特殊性能的新材料。具有特殊性能的新材料。有什么结构材料能够发挥作用？有什么结构材料能够发挥作用？强度高、寿命长、耐高温，膨胀系数小、化学稳定性好。强度高、寿命长、耐高温，膨胀系数小、化学稳定性好。在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。先进结构陶瓷材料就在这种背景下发展起来。先进结构陶瓷材料就在这种背景下发展起来。4先进陶瓷材料及其

4、应用先进陶瓷材料及其应用先进陶瓷材料及其应用先进陶瓷材料及其应用需要回答的几个问题：需要回答的几个问题：需要回答的几个问题：需要回答的几个问题：1.1.什么是陶瓷材料？什么是陶瓷材料？1.1.什么是陶瓷材料？什么是陶瓷材料？2.先进陶瓷在工程上如何发挥作用？2.先进陶瓷在工程上如何发挥作用？5陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷是人类最早使用的材料之一陶瓷是人类最早使用的材料之一?陶瓷是人类最早使用的材料之一陶瓷是人类最早使用的材料之一?传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器?包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖

5、瓦、水泥、石膏等大汶口文化后期白陶鬲大汶口文化后期白陶鬲其原材料是以粘土、石灰石、长石、石英、砂子等天然硅酸盐矿物（含SiO2的化合物）因此，传统的陶瓷材料是指硅酸盐材料。近几十年来，陶瓷材料有了巨大发展，新型陶瓷材料的成分超出了硅酸盐，如Al2O3MgO和CaO氧化物陶瓷SiCBC和TiC等碳化物陶瓷以及6大汶口文化后期白陶鬲大汶口文化后期白陶鬲如Al2O3、MgO和CaO氧化物陶瓷，SiC、BC和TiC等碳化物陶瓷，以及硼化物和氮化物陶瓷。z1幻灯片 6幻灯片 6z1 z1 有关陶器与瓷器的区别主要有如下几点：一、烧成温度不同 陶器烧成温度一般都低于瓷器，最低甚至达到800以下，最高可达1

6、100左右。瓷器的烧成温度则比较高，大都在1200以上，甚至有的达到1400左右。二、坚硬程度不同 陶器烧成温度低，坯体并未完全烧结，敲击时声音发问，胎体硬度较差，有的甚至可以用钢刀划出沟痕。瓷器的烧成温度高，胎体基本烧结，敲击时声音清脆，胎体表面用一般钢刀很难划出沟痕。三、使用原料不同 陶器使用一般黏土即可制坯烧成，瓷器则需要选择特定的材料，以高岭上作坯。烧成温度在陶器所需要的温度阶段，则可成为陶器，例如古代的白陶就是如此烧成的。高岭土在烧制瓷器所需要的温度下，所制的坯体则成为瓷器。但是一般制作陶器的黏土制成的坯体，在烧到1200时，则不可能成为瓷器，会被烧熔为玻璃质。四、透明度不同 陶器的

7、坯体即使比较薄也不具备半透明的特点。例如龙山文化的黑陶，薄如蛋壳，却并不透明。瓷器的胎体无论薄厚，都具有半透明的特点。五、釉料不同 陶器有不挂釉和挂釉的两种，挂釉的陶器釉料在较低的烧成温度时即可熔融。瓷器的釉料有两种，既可在高温下与胎体一次烧成，也可在高温素烧胎上再挂低温釉，第二次低温烧成。以上几个方面中，最主要的条件是原材料和烧成温度，其他几个条件，都与这两条密切相关。因此，制陶工匠一旦掌握了烧成温度的技术，并认识到高岭土与一般黏土的区别，便具备了发明瓷器的条件。zj,2006-4-11陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述?陶瓷材料是除金属和陶瓷材料是除金属和?陶瓷材料是

8、除金属和陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非高聚物以外的无机非金属材料通称。金属材料通称。金属材料通称。金属材料通称。工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。型陶瓷。7型陶瓷。型陶瓷。陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述?陶瓷陶瓷是用天然或人工合成是用天然或人工合成的的粉状化合物粉状化合物，经过，经过成型成型和和的的粉状化合物

9、粉状化合物，经过，经过成型成型和和高温烧结高温烧结制成的制成的?是由无机化合物构成的多相是由无机化合物构成的多相?是由无机化合物构成的多相是由无机化合物构成的多相固体材料。固体材料。8陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的相组成特点陶瓷材料的相组成特点通常由三种不同的相组成通常由三种不同的相组成通常由三种不同的相组成通常由三种不同的相组成9晶相晶相玻璃相气相玻璃相气相陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述晶相是陶瓷材料中主要的组成晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。质的主要是晶相。质的主要是

10、晶相。质的主要是晶相。气相是在工艺过程中形成并气相是在工艺过程中形成并玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结气相是在工艺过程中形成并气相是在工艺过程中形成并保留下来的。保留下来的。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温晶粒、提高材料致密度、降低烧结温10度和抑制晶粒长大。度和抑制晶粒长大。陶瓷的组织和结构陶瓷的组织和结构陶瓷的组织和结构陶瓷的组织和结构?晶体相晶体相?玻璃相玻璃相?玻璃相玻璃相?气相气相11陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的

11、主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅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，因而其结合键以离子键(如Al等，因而其结合键以离子键(如Al2 2O O3 3)、共价键(如Si)、共价键(如Si3 3N N4 4)及两者的混合键为主。及两者的混合键为主。及两者的混合键为主。及两者的混合键为主。12共价键共价键离子键离子键陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述?陶瓷材料以离子键结合为主，由于离子键的结合力大，因此离子晶体的陶瓷材料以离子键结合为主，由于离子键的结合力

12、大，因此离子晶体的硬度高硬度高，强强度大度大，热膨胀系数小热膨胀系数小，但，但脆性大。脆性大。NaClNaCl13微软用户4幻灯片 13幻灯片 13微软用户4 微软用户4 在正，负离子间有较强的静电引力作用着，所以离子晶体一般具有较高的熔点、沸点。硬度大，脆，延展性差，熔沸点较高。微软用户,2007-4-2陶瓷材料概述陶瓷材料概述粘土粘土细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述原料的制备原料的制备粘土粘土细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可塑性，是作为基础。塑性，是作为基础。石英石英无水SiO无水SiO

13、2，2，难熔，可减粘，在瓷坯中起难熔，可减粘，在瓷坯中起骨架作用。骨架作用。陶瓷的成形陶瓷的成形原料的制备原料的制备骨架作用。骨架作用。长石长石含K、Na、Ca离子的无水硅酸盐，属熔剂。含K、Na、Ca离子的无水硅酸盐，属熔剂。坯料的成形坯料的成形可塑成形可塑成形传统陶瓷用较多传统陶瓷用较多注浆成形注浆成形浆料浇注到石膏模中成形，用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形状复杂件浆料浇注到石膏模中成形，用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形状复杂件压制成形压制成形粉料加入塑化剂，在金属模具加压成形粉料加入塑化剂，在金属模具加压成形制品的烧结制品的烧结干燥的毛坯加热干燥的毛坯加热高温烧结高温烧结，相变获得要求的性能

14、，相变获得要求的性能14压制成型压制成型压制成型压制成型陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的工艺特点陶瓷材料的工艺特点粉体成型烧结粉体成型烧结17粉末烧结过程粉末烧结过程陶瓷材料概述陶瓷材料概述韧韧性性韧韧性性1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述性性陶瓷硬陶瓷硬度性度性陶瓷硬陶瓷硬度度陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点度度压痕压痕度度压痕压痕陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。、耐腐蚀等特性。脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶

15、瓷硬度压痕周围的裂纹陶瓷材料还具有密度小、弹性模陶瓷材料还具有密度小、弹性模陶瓷材料还具有密度小、弹性模陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。量大、耐磨损、强度高等特点。功能陶瓷还具有电、光、磁等特功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。殊性能。19殊性能。殊性能。陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是烧结

16、体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。其存在一定的气孔率。AlAl2 2O O3 3粉末的烧结组织粉末的烧结组织ZrO2陶瓷中的气孔陶瓷中的气孔20陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能刚度（弹性模量）刚度（弹性模量）材料弹性模量材料弹性模量/MPa铝合金铝合金72300钢207000Al2O3400000TiC39000021TiC390000微软用户3幻灯片 21幻灯片 21微软用户3 微软用户3 弹性模量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，故是组织结构不敏感参

17、数。在工程上，弹性模量则是材料刚度的度量。陶瓷晶体，由于其结合键（离子键、共价键）的本性，再加上陶瓷晶体中的滑移系少，位错的b大，故其塑性变形相对金属材料要困难得多，只有以离子键为主的单晶陶瓷才能进行较大的塑性变形。微软用户,2007-4-2陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能陶瓷的熔点陶瓷的熔点陶陶 瓷瓷熔点（熔点（）陶陶 瓷瓷熔点（熔点（）TiC4150WC2850Al O2050Al2O32050SiO2171522陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能硬度硬度材料材料硬度硬度/HV材料材料硬度

18、硬度/HV陶瓷陶瓷10005000淬火钢淬火钢500800高聚物高聚物20高聚物高聚物20陶瓷的硬度随温度升高而降低影响陶瓷的硬度随温度升高而降低影响23陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能Table 1 Properties of ceramicsTable 1 Properties of ceramics陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能CeramicMelting point(C)熔点熔点Density(g/cm3)密度密度Strength(MPa)强度强度Coefficient of thermal expansion(x 10-6/C)热膨胀系数热膨胀系数Thermal conductivity(

19、W/m.K)热传导率热传导率Elastic Modulus(GPa)弹性模量弹性模量BeO25303.12467.4210400Al2O320504.04558.040380ZrO227005.617510.519140AlN19003.34414.4180320Si3N419003.22103.01717534B4C23502.53504.325450SiC27003.21404.350210WC237715.86005.2-70024Diamond30003.515000.52000500陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的性能陶瓷

20、材料的性能(1)(1)硬度硬度 是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)(2)刚度刚度 是各类材料中最高的。（塑料1380MN/m是各类材料中最高的。（塑料1380MN/m2 2，钢207000MN/m，钢207000MN/m2 2)(3)(3)强度强度 理论强度很高；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。理论强度很高；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）

21、较高的高温强度。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(4)(4)塑性低塑性低：在室温几乎没有塑性。(5)：在室温几乎没有塑性。(5)韧性差韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。，脆性大。是陶瓷的最大缺点。25陶瓷材料概述陶瓷材料概述1.1.陶瓷材料概述陶瓷材料概述陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能(6)(6)热膨胀性低热膨胀性低导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）(7)(7)热稳定性热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂抗热振性（在不同

22、温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂(7)(7)热稳定性热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）(8)(8)化学稳定性化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(8)(8)化学稳定性化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐

23、）(9)(9)导电性导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3 3O O4 4等）等）(10)(10)其它其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。(10)(10)其它其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。26各种陶瓷材料各种陶瓷材料普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工各种化2.2.各种陶瓷材料各种陶瓷材料特种陶瓷（人工的化学或化工各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）原料普通陶瓷普通陶瓷（硅酸

24、盐材料）（硅酸盐材料）按原料分类按原料分类按原料分类按原料分类特种陶瓷（人工合成材料）特种陶瓷（人工合成材料）按原料分类按原料分类按原料分类按原料分类结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类陶瓷耐火材料陶瓷耐火材料玻玻璃璃按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类27玻玻璃璃?普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。?除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。、纺织等工业部门。绝绝缘缘缘缘子子各种陶瓷材料各种陶瓷材料2.2.各种陶瓷材料各种陶瓷材料氧

25、化物陶瓷（氧化物陶瓷（AlAl O O、ZrOZrO、MgOMgO等）等）陶瓷材料分类陶瓷材料分类氧化物陶瓷（氧化物陶瓷（AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、MgOMgO等）等）碳化物陶瓷（SiC、B碳化物陶瓷（SiC、B4 4C、WC等）C、WC等）氮化物陶瓷（Si氮化物陶瓷（Si3 3N N4 4、TiN、BN等）、TiN、BN等）新型碳化物陶瓷（新型碳化物陶瓷（C C3 3N N4 4等）等）按成分按成分按成分按成分新型碳化物陶瓷（新型碳化物陶瓷（C C3 3N N4 4等）等）硼化物陶瓷（TiB硼化物陶瓷（TiB2 2、ZrB、ZrB2 2等）等）分分类类分分类类复合陶瓷（

26、3Al复合陶瓷（3Al2 2O O3 32SiO2SiO2 2(莫来石)(莫来石)等）等）29各种陶瓷材料各种陶瓷材料2.2.各种陶瓷材料各种陶瓷材料陶瓷的成分类别陶瓷的成分类别陶瓷的成分类别陶瓷的成分类别?氧化物（氧化物（Oxides）Al2O3、ZrO2是最常用的是最常用的?氧化物（氧化物（Oxides）Al2O3、ZrO2是最常用的是最常用的?氮化物（氮化物（Nitrides）Si3N4、AlN是主要的先进陶瓷，是主要的先进陶瓷，具有高强度和高温性能，有着广泛的应用。具有高强度和高温性能，有着广泛的应用。具有高强度和高温性能，有着广泛的应用。具有高强度和高温性能，有着广泛的应用。?碳化物

27、（碳化物（Carbides）SiC，B4C具有非常好的热传导性具有非常好的热传导性，耐腐蚀、硬度高。，耐腐蚀、硬度高。，耐腐蚀、硬度高。，耐腐蚀、硬度高。?陶瓷基复合材料（陶瓷基复合材料（Ceramic-based composites）30各种陶瓷材料各种陶瓷材料2.2.各种陶瓷材料各种陶瓷材料导电玻璃导电玻璃玻璃幕墙玻璃幕墙31导电玻璃导电玻璃玻璃幕墙玻璃幕墙微软用户5幻灯片 31幻灯片 31微软用户5 微软用户5 玻璃工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷普通陶瓷-日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔 特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温 金属陶瓷-结构陶

28、瓷,工具（硬质合金）,耐热电工玻璃陶瓷耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷等微软用户,2007-4-2各种陶瓷材料各种陶瓷材料2.2.各种陶瓷材料各种陶瓷材料结构陶瓷：结构陶瓷：这类陶瓷是作为结构材料这类陶瓷是作为结构材料?这类陶瓷是作为结构材料这类陶瓷是作为结构材料用于制造结构零部件，要用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能，如求有更好的力学性能，如求有更好的力学性能，如求有更好的力学性能，如强度、韧性、硬度、模量强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高温性能等。、耐磨性及高温性能等。、耐磨性及高温性能等。、耐磨性及高温性能等。?不同成分陶瓷均可设计成为结构陶瓷，如不

29、同成分陶瓷均可设计成为结构陶瓷，如Al2O3、Si3N4、ZrO2等，是常用的结构陶瓷。等，是常用的结构陶瓷。陶瓷零件陶瓷零件32陶瓷零件陶瓷零件各种陶瓷材料各种陶瓷材料2.2.各种陶瓷材料各种陶瓷材料功能陶瓷：功能陶瓷：?作为功能材料，主要是利用无作为功能材料，主要是利用无?作为功能材料，主要是利用无作为功能材料，主要是利用无机非金属材料除机械性能外的优异的物理和化学性能，如机非金属材料除机械性能外的优异的物理和化学性能，如电电磁性磁性、热性能热性能、光性能光性能及及生物生物磁性磁性、热性能热性能、光性能光性能及及生物生物性能性能等，用以制作功能器件。等，用以制作功能器件。?例如用于制作电磁

30、元件的铁氧例如用于制作电磁元件的铁氧?例如用于制作电磁元件的铁氧例如用于制作电磁元件的铁氧体、铁电陶瓷；制作电容器的体、铁电陶瓷；制作电容器的介电陶瓷；作为力学传感器的介电陶瓷；作为力学传感器的介电陶瓷；作为力学传感器的介电陶瓷；作为力学传感器的压电陶瓷，还有固体电解质陶瓷、生物陶瓷、光导纤维材料压电陶瓷，还有固体电解质陶瓷、生物陶瓷、光导纤维材料等大量的功能性陶瓷。等大量的功能性陶瓷。电子陶瓷电子陶瓷33等大量的功能性陶瓷。等大量的功能性陶瓷。电子陶瓷电子陶瓷结构陶瓷氧化铝陶瓷结构陶瓷氧化铝陶瓷结构陶瓷氧化铝陶瓷结构陶瓷氧化铝陶瓷成分：成分：AlAl2 2O O3 3少量SiO少量SiO2

31、2氧化铝陶瓷是一种技术成熟、工艺稳定、材料性能优良的结构陶瓷材稳定、材料性能优良的结构陶瓷材料。由于其具有较好的耐磨性、抗腐蚀性以及具有较高的强度、硬度腐蚀性以及具有较高的强度、硬度和相对较低的价格，因而被广泛的使用作为耐磨材料、密封制品等结构部件。同时氧化铝陶瓷又具有较佳的绝缘性能，也常作为绝缘部件应用于电子、电器零部件。34应用于电子、电器零部件。z6微软用户9幻灯片 34幻灯片 34z6 z6 氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3。-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600转变为-Al2O3。-Al2O3 属于六方系，

32、稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。zj,2006-4-12微软用户9 微软用户9 氧化铝陶瓷1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座；4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。微软用户,2007-4-2单相单相单相单相AlAl2 2O O3 3陶瓷组织陶瓷组织陶瓷组织陶瓷组织?先进结构陶瓷 氧化铝陶瓷先进结构陶瓷 氧化铝陶瓷2 23 3?

33、氧化铝陶瓷以Al氧化铝陶瓷以Al2 2O O3 3为主要成分,含为主要成分,含有少量有少量SiOSiO2 2的陶瓷的陶瓷，又称高铝陶瓷又称高铝陶瓷。有少量有少量SiOSiO2 2的陶瓷的陶瓷，又称高铝陶瓷又称高铝陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件密封、气动陶瓷配件瓷纺织件瓷纺织件瓷纺织件瓷纺织件瓷纺织件瓷纺织件瓷纺织件瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝耐高温喷嘴微软用户6幻灯片 36幻灯片 36微软用户6 微软用户6 根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性能好，可

34、使用到1950,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).微软用户,2007-4-2结构陶瓷结构陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷结构陶瓷结构陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷成分：以Si成分：以Si3 3N N4 4为主要成分的陶瓷为主要成分的陶瓷氮化硅陶瓷具有很高的硬度氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩摩氮化硅陶瓷具有很高的硬度氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳它具有优良的化学稳高于其它陶瓷高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的定性，能耐除氢氟

35、酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶液的腐蚀其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔以及抗熔其他酸和碱性溶液的腐蚀其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能性能。性能性能。用于制造用于制造切削刀具、高温轴承、切削刀具、高温轴承、泵密封环泵密封环、热电偶保护套热电偶保护套、缸套缸套、活活氮化硅高性能陶瓷，是一种通过化学反应人工合成的结构材料。氮化硅材料具有密度小、高强度、高硬度、耐磨损、抗氧化、自润滑、电绝缘等一系列优良37泵密封环泵密封环、热电偶保护套热电偶保护套、缸套缸套、活活塞顶、电磁泵管道和阀门等。塞顶、电磁泵管道和阀门等。抗氧化、自润

36、滑、电绝缘等一系列优良的性能。在航天航空、汽车发动、机械、化工、石油等领域有着广泛的用途。氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚热偶套管，料，如耐火砖、坩埚热偶套管，氧化铝氧化铝陶陶料，如耐火砖、坩埚热偶套管，料，如耐火砖、坩埚热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、模，内燃机的火花塞，火箭、陶陶瓷密封瓷密封环环模，内燃机的火花塞，火箭、模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。导弹的导流罩及轴承等。环环氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷坩埚?热压烧结氮化硅用于热压烧结氮化硅用于?热

37、压烧结氮化硅用于热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求形状简单、精度要求不高的零件，如切削不高的零件，如切削不高的零件，如切削不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。刀具、高温轴承等。Si3N4轴承轴承Si3N4轴承轴承?反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。如机械密封环等。叶片气阀等零件叶片气阀等零件汽轮机转子汽轮机转子汽轮机转子汽轮机转子?碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭SiC陶瓷件陶瓷件?碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片

38、及轴承，泵的密热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。封圈、拉丝成型模具等。SiC陶瓷件陶瓷件SiC轴承轴承?碳化硅的烧结工艺也有热压碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化和反应烧结两种。由于碳化和反应烧结两种。由于碳化和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有剂促进烧结，常加的助剂有剂促进烧结，常加的助剂有剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。硼、碳、铝等。微软用户7幻灯片 42幻灯片 42微软用户7 微软用户7 碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通过键能很高的

39、共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO。微软用户,2007-4-2?碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。SiC密封件密封件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：立方相四方相单斜相。立方相四方相单斜相。四方四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积

40、变化，相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。易使制品开裂。ZrO2氧化氧化锆锆氧化氧化锆锆锆锆单相陶单相陶瓷锆瓷锆单相陶单相陶瓷瓷瓷瓷瓷瓷?减少加入的氧化物数量，使减少加入的氧化物数量，使?减少加入的氧化物数量，使减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部部分氧化锆稳定，所以称部部分氧化锆稳定，所以称部部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。分稳定氧化锆(PSZ)。?氧化锆中四方

41、相向单斜相的转变可通过应力诱发产生氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到当受到?氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。结构陶瓷氧化锆陶瓷结构陶瓷氧化锆陶瓷1）1）热导率小，化学稳定性好、耐腐热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火耐火蚀性高：可用于高温绝缘材料蚀

42、性高：可用于高温绝缘材料、耐火耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚坩埚、喷嘴喷嘴、阀心阀心、密封器件密封器件等：2）硬度高，耐磨性好：可用于制造等：2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具切削刀具、模具模具、剪刀、高尔夫球棍、剪刀、高尔夫球棍头等头等。头等头等。3）具有敏感特性：可做气敏元件，3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、氧化锆陶瓷是一种新型的结构材料，具有高强度、高硬度、耐腐蚀以及良好的韧性。如，氧47还可作为高温燃料电池固体电解隔膜还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。钢液测氧探头等。度

43、、高硬度、耐腐蚀以及良好的韧性。如，氧化锆光纤套管、光纤插芯、导轮、无磁螺丝刀、印刷机用环刀等。广泛地应用于机械工程、光通讯、钢铁、电子等领域。结构陶瓷结构陶瓷氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷结构陶瓷结构陶瓷氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷氧化锆增韧陶瓷材料质白、耐腐蚀、化氧化锆增韧陶瓷材料质白、耐腐蚀、化学稳定性好；在应力诱导下发生马氏体相变而吸收应变能，成为在陶瓷材料中力学性能最好的材料；即在常温下具有最高的抗折强度和断裂韧性，因而氧化可切削陶瓷48最高的抗折强度和断裂韧性，因而氧化锆增韧陶瓷具有出色的耐磨性能。它在机械、电子、石油、化工、航天和纺织等行业有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。?部分稳定氧化锆的导热

44、率低部分稳定氧化锆的导热率低?部分稳定氧化锆的导热率低部分稳定氧化锆的导热率低，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（接近于发动机中使用的金属），抗弯强度与断裂韧性属），抗弯强度与断裂韧性属），抗弯强度与断裂韧性属），抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已高，除在常温下使用外，已高，除在常温下使用外，已高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选成为绝热柴油机的主要侯选材料，如材料，如发动机汽缸内衬、发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮推杆、活塞帽、阀座、凸轮推杆、活塞帽、阀座、凸轮推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等、轴承等。结构陶瓷碳化硅陶瓷结构陶

45、瓷碳化硅陶瓷结构陶瓷碳化硅陶瓷结构陶瓷碳化硅陶瓷?以以SiC为主要成分的陶瓷。为主要成分的陶瓷。?具 有 很 高 的 高 温 强 度具 有 很 高 的 高 温 强 度，在在具 有 很 高 的 高 温 强 度具 有 很 高 的 高 温 强 度，在在1400时抗弯强度仍保持；时抗弯强度仍保持；?在在500600MPa，工作温度可，工作温度可达达1700；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性热性、耐辐射性耐辐射性。热性热性、耐辐射性耐辐射性。?制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的的浇道口浇道口、轴承轴承、

46、轴套轴套、密封密封阀片阀片、的的浇道口浇道口、轴承轴承、轴套轴套、密封密封阀片阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。、炉管、核燃料包封材料等。碳化硅陶瓷是一种具有较高硬度、高强度、耐腐蚀的材料，且具有较好的抗震性，应用领域极为广泛。此材料被广泛的应用于化工、机械、石油、钢铁、电子等领域。主要产品有：导50、石油、钢铁、电子等领域。主要产品有：导轮、密封环、密封套管、承载匣等。功能陶瓷功能陶瓷铁电陶瓷铁电陶瓷功能陶瓷功能陶瓷铁电陶瓷铁电陶瓷有些陶瓷的晶粒排列是不规则的有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下但在外电场作用

47、下，不不有些陶瓷的晶粒排列是不规则的有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下但在外电场作用下，不不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷铁电陶瓷，广泛应用的，广泛应用的铁电材料有钛酸钡铁电材料有钛酸钡、钛酸铅钛酸铅、锆酸铝等锆酸铝等。铁电材料有钛酸钡铁电材料有钛酸钡、钛酸铅钛酸铅、锆酸铝等锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压压电元件电元件、热释电元件热释电元件、电光元件电光

48、元件、电热器件等电热器件等。电元件电元件、热释电元件热释电元件、电光元件电光元件、电热器件等电热器件等。51压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为观的压电效应，称为压电陶瓷压电陶瓷。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。锆酸铝、锆钛酸铅等。压电陶瓷在工业压电陶瓷在工业、国防及日常生活国防及日常生活压电陶瓷在工业压电陶瓷在工业、国防及日常生活国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达马达、压电变压器压电变压器、电声转换

49、器件等电声转换器件等。马达马达、压电变压器压电变压器、电声转换器件等电声转换器件等。利用压电效应将机械能转换为电能或把利用压电效应将机械能转换为电能或把电能转换为机械能的元件称为换能器电能转换为机械能的元件称为换能器。52电能转换为机械能的元件称为换能器电能转换为机械能的元件称为换能器。z3幻灯片 52幻灯片 52z3 z3 对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系。这种现象称为压电效应或正压电效应zj,2006-4-12氧化锆固体电解质陶瓷氧化锆固体电解质陶瓷?氧化锆固体电解

50、质陶瓷氧化锆固体电解质陶瓷ZrOZrO2 2中加入CaO、Y中加入CaO、Y2 2O O3 3等后，提供了氧离子扩散的通等后，提供了氧离子扩散的通道道，所以为氧离子导体所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用氧化锆固体电解质陶瓷主要用道道，所以为氧离子导体所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用氧化锆固体电解质陶瓷主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。?生物陶瓷生物陶瓷氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相容氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相容性性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体中因此常用于