华中科技大学工程材料学课件第10章陶瓷材料.ppt

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1、工程材料学工程材料学第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料基本知识陶瓷材料基本知识陶瓷材料的组织与结构陶瓷材料的组织与结构陶瓷材料的性能及应用陶瓷材料的性能及应用工程陶瓷简介工程陶瓷简介工程材料学工程材料学第一节第一节 陶瓷材料基本知识陶瓷材料基本知识一、陶瓷材料的含义一、陶瓷材料的含义 陶瓷陶瓷亦称亦称无机非金属材料无机非金属材料，是指用天然硅酸，是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）为原料，经粉碎、配制、成形和高温烧氟化物）为原料，经粉碎、配制

2、、成形和高温烧制而成的无机非金属材料。制而成的无机非金属材料。工程材料学工程材料学陶瓷的分类：陶瓷的分类：(1)(1)按原料分：按原料分：普通陶瓷普通陶瓷是利用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）是利用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）为原料制成的陶瓷，也称为原料制成的陶瓷，也称传统陶瓷。传统陶瓷。特种陶瓷特种陶瓷是采用人工合成化合物为原料制成的，具是采用人工合成化合物为原料制成的，具有各种独特性能的陶瓷，又称有各种独特性能的陶瓷，又称新型陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷。现代陶瓷。工程材料学工程材料学(2)(2)按化学成分分：按化学成分分：氧化物陶瓷氧化物陶瓷Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO

3、、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2；碳化物陶瓷碳化物陶瓷SiC、B4C、WC、TiC；氮化物陶瓷氮化物陶瓷Si3N4、AlN、TiN、BN；新型碳化物陶瓷新型碳化物陶瓷C3N4；硼化物陶瓷硼化物陶瓷TiB2、ZrB2；复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷3Al2O32SiO2(莫来石莫来石)、MgAl2O3(尖晶石尖晶石)、CaSiO3、ZrSiO4、BaTiO3、PbZrTiO3、BaZrO3、CaTiO3等。等。工程材料学工程材料学二、陶瓷材料的结合键二、陶瓷材料的结合键 陶陶瓷瓷材材料料的的结结合合键键为为离离子子键键和和共共价价键键，大大多多数数为两者的混

4、合键。为两者的混合键。由由于于离离子子键键和和共共价价键键的的键键能能高高，所所以以陶陶瓷瓷材材料料表表现现出出高高熔熔点点、耐耐腐腐蚀蚀、高高硬硬度度、极极差差的的塑塑性性与与极极高的弹性模量等特点。高的弹性模量等特点。工程材料学工程材料学三、陶瓷材料的制取三、陶瓷材料的制取 陶陶瓷瓷制制备备三三阶阶段段：粉粉体体制制备备坯坯料料成成形形烧烧成或烧结成或烧结 普通陶瓷瓷化过程称为普通陶瓷瓷化过程称为烧成烧成。特种陶瓷瓷化过程。特种陶瓷瓷化过程称为称为烧结。烧结。烧成或烧结的实质烧成或烧结的实质是生坯在高温加热时发生一系是生坯在高温加热时发生一系列物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分解，有机物及列

5、物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分解，有机物及碳化物的气化，晶体转型及熔化），并使生坯体积收碳化物的气化，晶体转型及熔化），并使生坯体积收缩，强度、密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某缩，强度、密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。常见的烧结方法有热压或种显微结构烧结体的过程。常见的烧结方法有热压或热等静压法、液相烧结法、反应烧结法。热等静压法、液相烧结法、反应烧结法。工程材料学工程材料学第二节第二节 陶瓷材料的组织和结构陶瓷材料的组织和结构 陶陶瓷瓷一一般般由由晶晶体体相相、玻玻璃璃相相和和气气相相组组成成。其其显显微微结结构构是是由由原料、组成和制造工艺所决定的。原料、

6、组成和制造工艺所决定的。一、晶体相一、晶体相 晶晶体体相相是是陶陶瓷瓷材材料料的的主主要要组组成成相相，是是化化合合物物或或固固溶溶体体。晶晶体体相相常常常常不不止止一一个个，可可分分为为主主晶晶相相、次次晶晶相相或或第第三三晶晶相相。陶瓷主要性能取决于主晶相。陶瓷主要性能取决于主晶相。晶晶体体相相主主要要有有硅硅酸酸盐盐、氧氧化化物物、非非氧氧化化物物三三种种。硅硅酸酸盐盐的的基基本本结结构构是是硅硅氧氧四四面面体体（SiO4），构构成成不不同同结结构构的的硅硅酸酸盐盐，大大多多数数氧氧化化物物的的结结构构是是氧氧离离子子密密堆堆的的立立方方和和六六方方结结构构，金金属属离子位于其八面体或四

7、面体间隙中。离子位于其八面体或四面体间隙中。工程材料学工程材料学二、玻璃相二、玻璃相 玻璃相玻璃相是一种低熔点的非晶态固相，是一种低熔点的非晶态固相，玻璃相成玻璃相成分分是是 SiO2和其它氧化物。和其它氧化物。玻璃相作用：玻璃相作用：粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；料致密度；降低烧成温度，加快烧结；降低烧成温度，加快烧结；阻止晶体转变，抑制其长大；阻止晶体转变，抑制其长大；获得透光性等玻璃特性；获得透光性等玻璃特性；不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强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。度、介电性能、耐热耐火性

8、等不利。故陶瓷中玻璃相故陶瓷中玻璃相的体积分数一般不大于的体积分数一般不大于20%40%。工程材料学工程材料学三、气相三、气相 气相气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。陶瓷的性（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密度，提高绝热性和抗振性。对功能陶瓷的光、电、磁度，提高绝热性和抗振性。对功能陶瓷的光、电、磁等性能也会产生影响。等性能也会产生影响。普通陶瓷的气孔率为体积的普通陶瓷的气孔率为体积的5%10%，特种陶瓷，特

9、种陶瓷为为5%以下。以下。工程材料学工程材料学四、陶瓷的结构四、陶瓷的结构陶瓷显微组织示意图工程材料学工程材料学第三节第三节 陶瓷材料的性能及应用陶瓷材料的性能及应用一、力学性能一、力学性能(1)(1)弹弹性性 陶陶瓷瓷的的弹弹性性模模量量在在各各类类材材料料中中最最高高，因因为为陶瓷具有很强的化学键。陶瓷具有很强的化学键。工程材料学工程材料学一、力学性能一、力学性能(2)(2)硬硬度度 陶陶瓷瓷硬硬度度是是各各类类材材料料中中最最高高的的，因因其其结合键强度高。结合键强度高。陶瓷硬度为陶瓷硬度为1000HV1000HV5000HV,5000HV,淬火钢为淬火钢为500HV500HV800HV

10、,800HV,高聚物最硬不超过高聚物最硬不超过20HV20HV。陶瓷的。陶瓷的硬度随温度的升高而降低硬度随温度的升高而降低,但在高温下仍有较高但在高温下仍有较高的数值。的数值。工程材料学工程材料学一、力学性能一、力学性能(3)(3)强度强度 致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度，使陶瓷实际强度比理论值低得多（强度，使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/10001/10001/1001/100）。）。刚玉（刚玉（AlAl2 2O O3 3）陶瓷块抗拉强度陶瓷块抗拉强度280MPa280MPa，刚玉陶瓷纤维（缺陷少），刚玉陶瓷纤维（缺陷少），抗拉强度抗拉强度为为

11、2100MPa2100MPa，提高，提高1 12 2个数量级。个数量级。陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，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。抗弯强度较高，抗压强度很高。高温强度高，高温抗蠕变能力强，抗氧化性好，高温强度高，高温抗蠕变能力强，抗氧化性好，适宜作高温材料。适宜作高温材料。工程材料学工程材料学一、力学性能一、力学性能(4)(4)塑性塑性 陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷晶体滑移陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大。系很少，位错运动所需切应力很大。(5)(5)韧性韧性 非常典型的脆性材料非常典型的脆性材料：冲击韧

12、性冲击韧性10kJ/m10kJ/m2 2以下以下,断裂韧性值很低。断裂韧性值很低。脆性是陶瓷材料的最大缺点，是其成为结构脆性是陶瓷材料的最大缺点，是其成为结构材料的主要障碍。增韧是陶瓷研究的热点。材料的主要障碍。增韧是陶瓷研究的热点。工程材料学工程材料学二、物理化学性能二、物理化学性能1 1、熔点很高，熔点很高，大多在大多在2000以上，具有很高的耐热性；以上，具有很高的耐热性；2 2、线膨胀系数小线膨胀系数小，导热性和抗热震性都较差，受热冲，导热性和抗热震性都较差，受热冲击时容易破裂；击时容易破裂；3 3、化学稳定性高化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具

13、有良好的耐腐蚀性；良好的耐腐蚀性；4 4、有各种电学性能有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶瓷具有半导体性质。许多陶瓷具有特殊的性能，陶瓷具有半导体性质。许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能等，可制成专门的功能陶瓷如光学性能、电磁性能等，可制成专门的功能陶瓷器件。器件。工程材料学工程材料学第四节第四节 工程陶瓷简介工程陶瓷简介 一、普通陶瓷一、普通陶瓷 以以粘粘土土、长长石石、石石英英等等为为原原料料烧烧结结而而成成的的陶陶瓷瓷。这这类类陶陶瓷瓷质质地地坚坚硬硬、不不氧氧化化、耐耐腐腐蚀蚀、不不导导电电、成成本低，但强度较低，耐热性及绝缘性不如其

14、它陶瓷。本低，但强度较低，耐热性及绝缘性不如其它陶瓷。普普通通工工业业陶陶瓷瓷有有建建筑筑陶陶瓷瓷、电电瓷瓷、化化工工陶陶瓷瓷等等。电电瓷瓷主主要要用用于于制制作作隔隔电电、机机械械支支持持及及连连接接用用瓷瓷质质绝绝缘缘器器件件。化化工工陶陶瓷瓷主主要要用用于于化化学学、石石油油化化工工、食食品品、制制药药工工业业中中制制造造实实验验器器皿皿、耐耐蚀蚀容容器器、反反应应塔塔、管管道等。道等。工程材料学工程材料学二、特种陶瓷二、特种陶瓷（1）氧化铝陶瓷）氧化铝陶瓷 Al2O3少少量量SiO2。根根据据Al2O3含含量量可可分分为为刚刚玉玉-莫莫来来瓷瓷（75瓷，瓷，wAl2O3=75%）和）和

15、刚玉瓷刚玉瓷（95瓷，瓷，99瓷）。瓷）。硬硬度度很很高高，耐耐磨磨性性很很好好。耐耐高高温温，1600高高温温下下长长期期工工作作。具具有有良良好好的的耐耐腐腐蚀蚀性性和和绝绝缘缘性性能能，在在高高频频下下的的电电绝绝缘缘性性能能尤尤为为突突出出。氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷的的韧韧性性低低，脆脆性性大大，抗抗热热振振性性差差。还具有光学特性和离子导电特性。还具有光学特性和离子导电特性。用用于于制制作作：装装饰饰瓷瓷，内内燃燃机机的的火火花花塞塞，电电路路基基板板，管管座座，石石油油化化工工泵泵的的密密封封环环，机机轴轴套套，导导纱纱器器，喷喷嘴嘴，火火箭箭、导导弹弹的的导导流流罩罩，切切削削工工具

16、具，模模具具，磨磨料料，轴轴承承，人人造造宝宝石石，耐耐火火材材料料，坩坩埚埚，炉炉管管，热热电电偶偶保保护护套套等等。还还可可用用于于制制作作人人工工骨骨骼骼，透透光光材材料料，激激光光振振荡荡元元件件，微微波波整整流流罩罩，太太阳阳能能电电池材料和蓄电池材料等。池材料和蓄电池材料等。工程材料学工程材料学第四节第四节 工程陶瓷简介工程陶瓷简介（2）氮化硅陶瓷）氮化硅陶瓷 以以Si3N4为主要成分的陶瓷。为主要成分的陶瓷。氮氮化化硅硅陶陶瓷瓷具具有有很很高高的的硬硬度度，摩摩擦擦系系数数小小，耐耐磨磨性性好好，抗抗热热振振性性大大大大高高于于其其它它陶陶瓷瓷。它它具具有有优优良良的的化化学学稳稳定定性性，能能耐耐除除氢氢氟氟酸酸、氢氢氧氧化化钠钠外外的的其其他他酸酸和和碱碱性性溶溶液液的的腐腐蚀蚀，以以及及抗抗熔熔融融金金属属的的侵侵蚀蚀。它它还具有优良的绝缘性能。还具有优良的绝缘性能。用用于于制制造造切切削削刀刀具具、高高温温轴轴承承、泵泵密密封封环环、热热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学