第10章 陶瓷材料.pdf

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1、第十章 陶瓷材料第十章 陶瓷材料?陶瓷材料的基本知识陶瓷材料的基本知识?陶瓷材料的结构与组织陶瓷材料的结构与组织?陶瓷材料性能陶瓷材料性能?工业陶瓷材料工业陶瓷材料引 言引 言陶瓷陶瓷是一种天然或人工合成的粉状化合物，经过成型或高温烧结而成的，由金属元素和非金属元素的无机化合物构成的多相固体材料。由于具有高硬度、高耐磨性、耐蚀性和绝缘性能及特殊的电性能而得到广泛的应用。陶瓷材料、金属材料和高分子材料统称为三大固体材料。利用天然硅酸盐矿物为原料制成的陶瓷为普通陶瓷；用人工合成的高纯度原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等)具有各种独特的力学、物理或化学性能的陶瓷称为特种陶瓷，也称为现代

2、陶瓷或新型陶瓷。传统陶瓷成型成型：泥：泥 揉泥 揉泥 各种成型法 各种成型法 修坯 修坯 晾坯（干燥）晾坯（干燥）施釉施釉 装窑烧制装窑烧制传统陶瓷的制备新型陶瓷随着科技的发展，诞生了许多新型陶瓷。如在陶瓷中添加了某些化学元素后，使其变得既坚又韧，不仅摔在地上不会碎裂，而且用铁锤猛砸也不能敲碎。又如生物陶瓷材料，可以制成多种人工关节，对人体的危害极小，归患者带来福音。新型陶瓷制成的人造骨等新型陶瓷制成的人造骨等陶瓷零件陶瓷零件防辐射高铅玻璃防弹玻璃防辐射高铅玻璃防弹玻璃陶瓷材料的基本知识陶瓷材料的基本知识按习惯，陶瓷可以按性能或种类进行分类。一般可分为工程陶瓷或功能陶瓷两大类。陶瓷的种类很多，

3、但缺乏统一的分类方法。按化学成份可分为，氧化物陶瓷（氧化铝瓷、氧化锆瓷和氧化镁瓷等）、氮化物陶瓷（氮化硅瓷、氮化铝瓷、氮化硼瓷等）、碳化物陶瓷（碳化硅瓷、碳化硼瓷等）以及金属陶瓷等。陶瓷材料的结合键陶瓷材料的结合键陶瓷材料中，离子键与共价键是主要的结合键。但通常为二者的混合键，不同的化合物中离子键和共价键的比例不同。陶瓷材料的结构与组织陶瓷材料的结构与组织?陶瓷材料的典型结构陶瓷材料的典型结构 离子晶体陶瓷结构MgO、NiO、FeO等具有NaCl型结构ZrO2、VO2、ThO2等具有CaF2型结构Al2O3、Cr2O3等属于刚玉结构共价晶体陶瓷一般属于金刚石结构或其派生结构?陶瓷材料的典型结构

4、陶瓷材料的典型结构 共价晶体陶瓷结构 非晶型陶瓷结构?陶瓷材料的典型结构陶瓷材料的典型结构陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中同时存在?晶体相?玻璃相?气相各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。?陶瓷的显微结构陶瓷的显微结构.晶相晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相的结合键为?离子键?共价键?混合键氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。氧化物结构的主要特点是氧离子紧密排列构成晶格骨架，组成六方或面心立方点阵，而正离子位于骨架的适当间隙之中。如：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2硅酸盐

5、结构结构很复杂，但基本结构单元为SiO4硅氧四面体，结合键为离子键、共价键的混合键；每个氧原子最多只有被两个SiO4所共有；Si-O-Si的键角为145;SiO4既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高聚物之称。有些陶瓷中的晶相也存在同素异构转变。-石英870-鳞石英1470-方石英1713熔融SiO2573-石英163-鳞石英117-鳞石英180270方石英急冷加热石英玻璃SiO2的同素异构转变 实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体缺陷，这些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（Al2O3）晶粒平均尺寸为20

6、0m时，抗弯强度为74MPa，1.8m时抗弯强度可高达570MPa。陶瓷材料中往往同时存在多种晶相，对陶瓷性能起决定作用的晶相称主晶相，其余为次晶相。玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。.玻璃相玻璃相玻璃相的作用玻璃相的作用将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大填充气孔。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一 般2040%。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产

7、过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为510%，要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。.气相气相气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达60。一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂1、弹性（1）弹性模量大E值大，是金属材料的2倍以上。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。（3）气孔率，弹性模量陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能?陶瓷材料的力

8、学性能陶瓷材料的力学性能2、塑性变形（1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。（2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。（3）陶瓷的超塑性是微晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动。存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，在1250烧结后，3.510-2S-1应变速率=400%。利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。超塑加工扩散焊接：新的复合加工方法。3、断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。缺陷的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂的概率F()断裂概率；m韦伯模

9、数0特征应力，该应力下断裂概率为0.632、试样内部的应力及它们的最大值若两种陶瓷材料的平均强度相同，在一定的断裂应力下，m值大的材料比m值小的材料发生断裂的几率小。陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。dvFmvm)()(exp1)(0=二、陶瓷材料强度和硬度陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值（1）弯曲强度可采用三点弯曲、四点弯曲方法测出。四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。强度比三点弯曲的低。（2）抗拉强度测试时，夹持部位易断裂（可采用加橡胶垫）常用弯曲强度代之，高20%40%。（3）抗压强度比抗拉强度高得多，10倍左右。（4

10、）硬度高HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。返回返回陶瓷材料的断裂韧度工程陶瓷的KIC比金属的低12个数量级。测定方法（参见下页图）单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。KIC值受切口宽度的影响。金属材料：、KIC；陶瓷材料：尖端塑性区很小。、KIC。陶瓷材料的增韧：（1）改善组织（细密、纯、匀，减少应力集中）；（2）相变增韧(外力作用诱发相变，并伴有体积膨胀，消耗外加能量，使材料增韧).但相变增韧受温度限制（800以下）；（3）微裂纹增韧（当主裂纹遇到微裂纹时，发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；并松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度）。返回返回陶瓷材料的

11、性能陶瓷材料的性能?陶瓷材料的物理性能陶瓷材料的物理性能 热性能与温度有关的热性能对陶瓷材料非常重要。陶瓷的熔点高，一般在2000以上，抗氧化性能好，高温强度好，抗蠕变性能强，适合做高温材料。陶瓷的膨胀系数较小，导热率较低。但陶瓷的抗热振性较差，即材料在温度急剧变化时抵抗破坏的能力小，陶瓷在温度变化较大时容易破坏，陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能?陶瓷材料的物理性能陶瓷材料的物理性能 光、电性能陶瓷晶体中没有自由电子，所以一般都是很好的绝缘材料，少数陶瓷具有半导体性质。陶瓷可以在电子工业中制造电子元件。某些陶瓷具有特殊的光学性能，加用作固体激光材料、光导纤维、光储备材料等。陶瓷材料的性能陶瓷材料的

12、性能?陶瓷材料的化学性能陶瓷材料的化学性能陶瓷的结构稳定，不易氧化，对酸、碱、盐的抗蚀能力高，可用于化工生产。按用途分类日用普通陶瓷工业陶瓷结构陶瓷功能陶瓷工业陶瓷常用工业陶瓷常用工业陶瓷 一、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O32SiO2)，占2530%，玻璃相占3560%，气相占13%。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、纺织等工业部门.景德镇瓷器景德镇瓷器绝缘子绝缘子二

13、、结构陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，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、气动陶瓷配件单相单相单相单相AlAl2 2OO3 3陶瓷组织陶瓷组织陶瓷组织陶瓷组织 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).95瓷纺织件瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密

14、封环氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚埚、热偶套管,淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4 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，能得到复杂的形状烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好

15、用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低 性能特点及应用 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.2；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。?热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等.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，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 碳化硅（SiC）陶瓷 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高

16、温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO。?碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等.常压烧结碳化硅常压烧结碳化硅 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。SiC密封件密封件 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、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。SiC陶瓷件陶瓷件SiC轴承轴承SiC陶瓷件陶瓷件 氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变：立方相四方相单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开

17、裂。ZrO2氧化锆单相陶瓷氧化锆单相陶瓷氧化锆单相陶瓷氧化锆单相陶瓷 在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差.ZrOZrO2 2陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷耐火件耐火件耐火件耐火件?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)。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。部分稳定氧化锆组织部分

18、稳定氧化锆组织 部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等.部分稳定氧化锆制品部分稳定氧化锆制品氧化锆制品氧化锆油泵氧化柱塞氧化锆油泵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韧氧化锆导轮芯轴增韧氧化锆导轮芯轴三、功能陶瓷三、功能陶瓷（一）铁电陶瓷（一）铁电陶瓷有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类

19、陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为压电陶瓷。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。压电陶瓷在工

20、业、国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件等。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。铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为压电陶瓷。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。压电陶瓷在工业、国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件等。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。（三）半导体陶瓷（三）半导体陶瓷导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要有钛酸钡陶瓷，具有正电阻温度系数，应用非常广泛。如用于电动机、收录机、计算机、复印机、

21、变压器、烘干机、暖风机、电烙铁、彩电消磁、燃料的发热体、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要有钛酸钡陶瓷，具有正电阻温度系数，应用非常广泛。如用于电动机、收录机、计算机、复印机、变压器、烘干机、暖风机、电烙铁、彩电消磁、燃料的发热体、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。（四）氧化锆固体电解质陶瓷（四）氧化锆固体电解质陶瓷ZrO2中加入中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。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。等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。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。（五）生物陶瓷（五）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性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相容性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。