1、第九章 陶瓷材料陶瓷材料w內(nèi)容提要：內(nèi)容提要： 本章介紹陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。介紹現(xiàn)今意義上陶瓷材料的分類，簡述工程陶瓷的基本工藝過程，介紹普通陶瓷（包括日用陶瓷和工業(yè)陶瓷）、特種陶瓷（氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷）的組成、性能特點和應(yīng)用。w學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。熟悉特種陶瓷的性能特點、改善性能的途徑和應(yīng)用。對其它陶瓷材料作一般了解。 第一節(jié)概述第一節(jié)概述一、陶瓷的概念一、陶瓷的概念 傳統(tǒng)意義上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻傳統(tǒng)意義上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦等。這些材料都是用粘璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦等。這些材料都是

2、用粘土、石灰石、長石、石英等天然硅酸鹽類礦物制成土、石灰石、長石、石英等天然硅酸鹽類礦物制成的。因此，的。因此，傳統(tǒng)的陶瓷材料是指硅酸鹽類材科傳統(tǒng)的陶瓷材料是指硅酸鹽類材科?，F(xiàn)?，F(xiàn)今意義上的陶瓷材料已有了巨大變化，許多新型陶今意義上的陶瓷材料已有了巨大變化，許多新型陶瓷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽的范疇，不僅在性能上有瓷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽的范疇，不僅在性能上有了重大突破，在應(yīng)用上也已滲透到各個領(lǐng)域。所以，了重大突破，在應(yīng)用上也已滲透到各個領(lǐng)域。所以，一般認(rèn)為，陶瓷材料是一般認(rèn)為，陶瓷材料是指各種無機非金屬材料指各種無機非金屬材料的通的通稱。稱。 二、陶瓷的分類二、陶瓷的分類化學(xué)成分：氧化物陶瓷、碳化

3、物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷化學(xué)成分：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷性能和用途：結(jié)構(gòu)陶瓷性能和用途：結(jié)構(gòu)陶瓷- -結(jié)構(gòu)件（力學(xué)性能）結(jié)構(gòu)件（力學(xué)性能） 功能陶瓷功能陶瓷- -功能器件（物理性能）功能器件（物理性能）三、陶瓷材料的特點三、陶瓷材料的特點 性能特點性能特點結(jié)合鍵：離子鍵和共價鍵，有方向性結(jié)合鍵：離子鍵和共價鍵，有方向性1.1.高硬度：耐磨性高高硬度：耐磨性高2.2.高熔點：耐熱性高高熔點：耐熱性高3.3.高化學(xué)穩(wěn)定性：耐蝕性高高化學(xué)穩(wěn)定性：耐蝕性高現(xiàn)代陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的比較現(xiàn)代陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的比較 見表見表11.211.2 第二節(jié)第二節(jié) 陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的

4、制備工藝 工藝特點：工藝特點： 粉末冶金；材料和零件一體化粉末冶金；材料和零件一體化 工藝的重要性：原料的制備工藝、性質(zhì)、成型對燒結(jié)時的微結(jié)構(gòu)和性能影工藝的重要性：原料的制備工藝、性質(zhì)、成型對燒結(jié)時的微結(jié)構(gòu)和性能影響較大；材料和零件的一體化，材料的性能即是制品的性能，不能后續(xù)處響較大；材料和零件的一體化，材料的性能即是制品的性能，不能后續(xù)處理理 1. 1.粉末的制備粉末的制備 礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、磨細(xì)得到坯料。礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、磨細(xì)得到坯料。 機械研磨法：固相反應(yīng)機械研磨法：固相反應(yīng)+ +機械球磨（機械粉碎機械球磨（機械粉碎- -煅燒，固相反應(yīng)煅燒，固相反應(yīng)- -

5、球磨）球磨） 化學(xué)法：通過化學(xué)反應(yīng)使顆粒（粉末）從液體、氣體、固相中析出化學(xué)法：通過化學(xué)反應(yīng)使顆粒（粉末）從液體、氣體、固相中析出 a a液相法液相法 溶液中通過溶劑的蒸發(fā)或各組分之間的反應(yīng)沉淀析出溶溶液中通過溶劑的蒸發(fā)或各組分之間的反應(yīng)沉淀析出溶 質(zhì)顆粒，適合氧化物陶瓷粉末的制備質(zhì)顆粒，適合氧化物陶瓷粉末的制備 b b氣相法氣相法 氣相反應(yīng)過程使顆粒從氣體中析出，適合非氧化物陶瓷氣相反應(yīng)過程使顆粒從氣體中析出，適合非氧化物陶瓷 粉末的制備粉末的制備 c c固相法固相法 固相反應(yīng)得到，適合單組分氧化物陶瓷粉末的制備固相反應(yīng)得到，適合單組分氧化物陶瓷粉末的制備 2.2.坯料成形坯料成形 將坯料加

6、工成一定形狀和尺寸并有一定機械強度和致密度的將坯料加工成一定形狀和尺寸并有一定機械強度和致密度的半成品。半成品。干壓成型干壓成型 單軸受壓單軸受壓成型工藝過程成型工藝過程 圖圖11.111.1成型質(zhì)量成型質(zhì)量冷等靜壓成型冷等靜壓成型各方向受壓，適用范圍廣，長棒料，復(fù)雜件各方向受壓，適用范圍廣，長棒料，復(fù)雜件3.3. 燒結(jié)燒結(jié) 定定 義義：燒結(jié)是指高溫條件下，通過固相或部分液相擴散物質(zhì)遷燒結(jié)是指高溫條件下，通過固相或部分液相擴散物質(zhì)遷移使坯體表面積減小，孔隙率降低、機械性能提高的致移使坯體表面積減小，孔隙率降低、機械性能提高的致密化過程密化過程 燒結(jié)驅(qū)動力燒結(jié)驅(qū)動力： 粉體的表面能降低和系統(tǒng)自由

7、能降低粉體的表面能降低和系統(tǒng)自由能降低 燒結(jié)的主要階段：燒結(jié)的主要階段： 1 1）燒結(jié)前期階段（坯體入爐）燒結(jié)前期階段（坯體入爐9090致密化）致密化） 粘結(jié)劑等的脫除：如石蠟在粘結(jié)劑等的脫除：如石蠟在250250400400全部汽全部汽化揮發(fā)化揮發(fā) 隨著燒結(jié)溫度升高，原子擴散加劇，孔隙縮小，隨著燒結(jié)溫度升高，原子擴散加劇，孔隙縮小，顆粒間由點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，孔隙縮小，連通孔顆粒間由點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，孔隙縮小，連通孔 隙變得封閉，并孤立分布隙變得封閉，并孤立分布 小顆粒間率先出現(xiàn)晶界，晶界移動，晶粒長大小顆粒間率先出現(xiàn)晶界，晶界移動，晶粒長大 2）燒結(jié)后期階段）燒結(jié)后期階段 孔隙的消除：孔

8、隙的消除：晶界上的物質(zhì)不斷擴散到孔隙處，晶界上的物質(zhì)不斷擴散到孔隙處， 使孔隙逐漸消除。使孔隙逐漸消除。 晶粒長大：晶粒長大：晶界移動，晶粒長大。晶界移動，晶粒長大。 燒結(jié)的分類燒結(jié)的分類：固相燒結(jié)（只有固相傳質(zhì)）固相燒結(jié)（只有固相傳質(zhì)）液相燒結(jié)（出現(xiàn)液相）液相燒結(jié)（出現(xiàn)液相）氣相燒結(jié)（蒸汽壓較高）氣相燒結(jié)（蒸汽壓較高）燒燒 結(jié)結(jié)q 燒結(jié)過程的物質(zhì)傳遞燒結(jié)過程的物質(zhì)傳遞氣相傳質(zhì)（蒸發(fā)與凝聚為主）氣相傳質(zhì)（蒸發(fā)與凝聚為主）固相傳質(zhì)（擴散為主）固相傳質(zhì)（擴散為主）液相傳質(zhì)（溶解和沉淀為主）液相傳質(zhì)（溶解和沉淀為主）燒結(jié)過程燒結(jié)過程中的物質(zhì)中的物質(zhì)傳遞傳遞q 常見的燒結(jié)方法常見的燒結(jié)方法 在大氣中燒

9、結(jié)，電阻爐中進行在大氣中燒結(jié)，電阻爐中進行 熱壓燒結(jié)是在燒結(jié)過程中同時對坯料施加壓力，加熱壓燒結(jié)是在燒結(jié)過程中同時對坯料施加壓力，加速了致密化的過程。所以熱壓燒結(jié)的溫度更低，燒結(jié)時速了致密化的過程。所以熱壓燒結(jié)的溫度更低，燒結(jié)時間更短。間更短。 將粉體壓坯或裝入包套的粉體放入高壓容器中，在將粉體壓坯或裝入包套的粉體放入高壓容器中，在高溫和均衡的氣體壓力作用下，燒結(jié)成致密的陶瓷體。高溫和均衡的氣體壓力作用下，燒結(jié)成致密的陶瓷體。 將粉體壓坯放入到真空爐中進行燒結(jié)。真空燒結(jié)有將粉體壓坯放入到真空爐中進行燒結(jié)。真空燒結(jié)有利于粘結(jié)劑的脫除和坯體內(nèi)氣體的排除，有利于實現(xiàn)高利于粘結(jié)劑的脫除和坯體內(nèi)氣體的排

10、除，有利于實現(xiàn)高致密化。致密化。 反應(yīng)燒結(jié)、氣相沉積成形、高溫自蔓延（反應(yīng)燒結(jié)、氣相沉積成形、高溫自蔓延（SHS）燒）燒結(jié)、等離子燒結(jié)、電火花燒結(jié)、電場燒結(jié)、超高壓燒結(jié)、結(jié)、等離子燒結(jié)、電火花燒結(jié)、電場燒結(jié)、超高壓燒結(jié)、微波燒結(jié)等微波燒結(jié)等 4.4.陶瓷燒結(jié)的后處理陶瓷燒結(jié)的后處理q 表面施釉表面施釉釉漿制備釉漿制備涂涂 釉釉燒燒 釉釉 表面施釉是通過高溫加熱，在陶瓷表面燒附一層玻表面施釉是通過高溫加熱，在陶瓷表面燒附一層玻璃狀物質(zhì)使其表面具有光亮、美觀、絕緣、防水等優(yōu)異璃狀物質(zhì)使其表面具有光亮、美觀、絕緣、防水等優(yōu)異性能的工藝方法。性能的工藝方法。 為改善燒結(jié)后的陶瓷制件的表面光潔度、精確尺

11、寸為改善燒結(jié)后的陶瓷制件的表面光潔度、精確尺寸或去除表面缺陷等，常利用磨削、激光以及超聲波等加或去除表面缺陷等，常利用磨削、激光以及超聲波等加工方法對其進行處理。工方法對其進行處理。q 陶瓷的加工陶瓷的加工組成w晶相、玻璃相、氣相晶相、玻璃相、氣相晶相是陶瓷中主要組成相，晶相是陶瓷中主要組成相，玻璃相是一種非晶態(tài)的固體玻璃相是一種非晶態(tài)的固體氣相是陶瓷孔隙中的氣體即氣相是陶瓷孔隙中的氣體即氣孔氣孔陶瓷在室溫下的組織 第三節(jié) 陶瓷材料的組成及性能1.1.晶相晶相 主要有硅酸鹽、氧化物和非氧化合物等。硅酸鹽是是陶瓷組主要有硅酸鹽、氧化物和非氧化合物等。硅酸鹽是是陶瓷組織中重要的晶體相，結(jié)合為離子鍵

12、與共價鍵的混合鍵?？椫兄匾木w相，結(jié)合為離子鍵與共價鍵的混合鍵。 n硅酸鹽結(jié)構(gòu)的規(guī)律：硅酸鹽結(jié)構(gòu)的規(guī)律： 構(gòu)成硅酸鹽的基本單元是硅氧四面體；構(gòu)成硅酸鹽的基本單元是硅氧四面體； 硅氧四面體只能通過共用頂角而相互連結(jié)；硅氧四面體只能通過共用頂角而相互連結(jié)； Si4+Si4+離子通過離子通過O2-O2-結(jié)合結(jié)合, Si-O-Si, Si-O-Si的結(jié)合鍵在氧上的鍵角的結(jié)合鍵在氧上的鍵角接近于接近于145145； 穩(wěn)定的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中, , 硅氧四面體采取最高空間維數(shù)互硅氧四面體采取最高空間維數(shù)互相結(jié)合；相結(jié)合； 硅氧四面體采取比較緊密的結(jié)構(gòu)連結(jié)；硅氧四面體采取比較緊密的結(jié)構(gòu)連結(jié)；

13、同一結(jié)構(gòu)中的硅氧四面體最多只相差同一結(jié)構(gòu)中的硅氧四面體最多只相差1 1個氧原子。個氧原子。硅氧四面體結(jié)構(gòu)n氧化物氧化物 氧化物的結(jié)構(gòu)及特點：氧化物的結(jié)構(gòu)及特點： 氧離子作緊密立方或緊密六方排列；氧離子作緊密立方或緊密六方排列； 金屬離子規(guī)則地分布在四面體和八面體的間隙之中金屬離子規(guī)則地分布在四面體和八面體的間隙之中氧化物晶體相英石型結(jié)構(gòu)AI2O3巖鹽型結(jié)構(gòu)MgOn非氧化合物非氧化合物 金屬碳化物：共價鍵和金屬鍵金屬碳化物：共價鍵和金屬鍵之間的過渡鍵之間的過渡鍵, , 以共價鍵為主。以共價鍵為主。 氮化物：與碳化物相似氮化物：與碳化物相似, , 金屬金屬性弱些性弱些, , 有一定的離子鍵。有一定

14、的離子鍵。硼化物和硅化物：較強的共價硼化物和硅化物：較強的共價健，連成鏈、網(wǎng)和骨架，構(gòu)成獨健，連成鏈、網(wǎng)和骨架，構(gòu)成獨立結(jié)構(gòu)單元。立結(jié)構(gòu)單元。 2.2.玻璃相玻璃相 w玻璃相作用玻璃相作用 粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度；致密度； 降低燒成溫度，加快燒結(jié)；降低燒成溫度，加快燒結(jié)； 阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大；阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大； 獲得透光性等玻璃特性；獲得透光性等玻璃特性； 不能成為陶瓷的主導(dǎo)相：對陶瓷的機械強度、不能成為陶瓷的主導(dǎo)相：對陶瓷的機械強度、介電性能、耐熱耐火性等不利。介電性能、耐熱耐火性等不利。 w玻璃相產(chǎn)生過程玻璃相產(chǎn)生過

15、程 a a 熔融液相冷卻時在玻璃轉(zhuǎn)變溫度粘度增大到一定程度時熔融液相冷卻時在玻璃轉(zhuǎn)變溫度粘度增大到一定程度時, , 熔體硬化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ?。玻璃物質(zhì)的粘度隨溫度而變化。熔體硬化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡА２Ａ镔|(zhì)的粘度隨溫度而變化。 B B 玻璃物質(zhì)的粘度隨溫度的變化玻璃物質(zhì)的粘度隨溫度的變化 w玻璃相結(jié)構(gòu)特點玻璃相結(jié)構(gòu)特點 玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。硅氧四面體組玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。硅氧四面體組成不規(guī)則的空間網(wǎng)成不規(guī)則的空間網(wǎng), , 形成玻璃的骨架形成玻璃的骨架。 石英玻璃和石英晶體結(jié)構(gòu)石英玻璃和石英晶體結(jié)構(gòu)鈉硅酸鹽玻璃的結(jié)構(gòu)示意圖鈉硅酸鹽玻璃的結(jié)構(gòu)示意圖 3.3. 氣相氣相 氣相是

16、陶瓷組織內(nèi)部殘留下來的孔洞氣相是陶瓷組織內(nèi)部殘留下來的孔洞 形成原因比較復(fù)雜，與原料和生產(chǎn)工藝有密切的聯(lián)系，形成原因比較復(fù)雜，與原料和生產(chǎn)工藝有密切的聯(lián)系，影響因素也比較多。影響因素也比較多。 根據(jù)氣孔情況，陶瓷分致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶根據(jù)氣孔情況，陶瓷分致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。瓷。 除了多孔陶瓷外，氣孔的存在對陶瓷的性能不利，降低除了多孔陶瓷外，氣孔的存在對陶瓷的性能不利，降低陶瓷的強度，造成裂紋的根源。盡量使其含量降低。陶瓷的強度，造成裂紋的根源。盡量使其含量降低。 普通陶瓷的氣孔率為普通陶瓷的氣孔率為5%5%10%10%； 特種陶瓷的在特種陶瓷的在5%5%以下；以下； 金屬

17、陶瓷則要求低于金屬陶瓷則要求低于0.5%0.5%。 第四節(jié)第四節(jié) 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 一、陶瓷的機械性能一、陶瓷的機械性能 1. 1. 剛度剛度 陶瓷剛度（由彈性模量衡量）各類材料中最高，因為陶瓷剛度（由彈性模量衡量）各類材料中最高，因為陶瓷具有很強的結(jié)合鍵。陶瓷具有很強的結(jié)合鍵。 各種常見材料的彈性模量和硬度各種常見材料的彈性模量和硬度材料材料 彈性模量彈性模量/MPa 硬度硬度/HV 橡膠橡膠 6.9 很低很低 塑料塑料 1380 17 鋁合金鋁合金 72300 170 鋼鋼 207000 300800 碳化鈦碳化鈦 390000 3000 金剛石金剛石 1171000 6000

18、10000 彈性模量的影響因素彈性模量的影響因素彈性模量彈性模量- -原子間距變化所需外力的大小原子間距變化所需外力的大小1.1.溫度溫度溫度升高彈性模量降低溫度升高彈性模量降低 見圖見圖11.211.2、11.311.32.2.熔點熔點熔點升高彈性模量升高熔點升高彈性模量升高 見圖見圖11.411.43.3.材料致密度材料致密度氣孔降低彈性模量氣孔降低彈性模量4.4.材料成分材料成分材料成分不變，彈性模量也變化不大；復(fù)合材料及材料在處理材料成分不變，彈性模量也變化不大；復(fù)合材料及材料在處理過程中成分變化其彈性模量也變化；過程中成分變化其彈性模量也變化； 2. 2. 硬度硬度 陶瓷硬度是各類材

19、料中最高的，因其結(jié)合鍵強度高。陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)合鍵強度高。 陶瓷硬度為陶瓷硬度為1000 HV1000 HV5000 HV5000 HV； 淬火鋼為淬火鋼為500 HV500 HV800 HV800 HV； 高聚物最硬不超過高聚物最硬不超過20 HV20 HV。 陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低, , 但在高溫下仍有較高但在高溫下仍有較高的數(shù)值。的數(shù)值。 硼化物的硬度碳化物的硬度氧化物的硬度 3. 3. 強度強度 晶界使陶瓷實際強度比理論值低得多（晶界使陶瓷實際強度比理論值低得多（1/10001/10001/1001/100）。）。晶界上有晶粒間的局部

20、分離或空隙；晶界上原子間鍵被拉長晶界上有晶粒間的局部分離或空隙；晶界上原子間鍵被拉長, , 鍵強度被削弱；相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力鍵強度被削弱；相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力, , 會造成裂縫。會造成裂縫。陶瓷的晶界結(jié)構(gòu) 4. 4. 塑性塑性 陶瓷在室溫下幾乎沒有塑性。陶瓷在室溫下幾乎沒有塑性。 陶瓷晶體滑移系很少，位錯運動所需切應(yīng)力很大；陶瓷晶體滑移系很少，位錯運動所需切應(yīng)力很大；共價鍵有明顯的方向性和飽和性，離子鍵的同號離共價鍵有明顯的方向性和飽和性，離子鍵的同號離子接近時斥力很大；在高溫慢速加載，特別是組織子接近時斥力很大；在高溫慢速加載，特別是組織中存在玻璃相時，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。

21、中存在玻璃相時，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。 5. 5. 韌性韌性 (1) (1) 陶瓷是非常典型的脆性材料陶瓷是非常典型的脆性材料 沖擊韌性沖擊韌性10 10 kJ/m2kJ/m2以下以下, , 斷裂韌性值很低。斷裂韌性值很低。 (2) (2) 對表面狀態(tài)特別敏感對表面狀態(tài)特別敏感 由于表面劃傷、化由于表面劃傷、化學(xué)侵蝕、冷熱脹縮不均等，很易產(chǎn)生細(xì)微裂紋；受學(xué)侵蝕、冷熱脹縮不均等，很易產(chǎn)生細(xì)微裂紋；受載時，裂紋很快擴展，表現(xiàn)出很高的脆性。載時，裂紋很快擴展，表現(xiàn)出很高的脆性。 (3) (3) 改善陶瓷韌性的方法改善陶瓷韌性的方法 預(yù)防陶瓷中特別是表面上產(chǎn)生缺陷；預(yù)防陶瓷中特別是表面上產(chǎn)生缺陷；

22、在陶瓷表面形成壓應(yīng)力；在陶瓷表面形成壓應(yīng)力； 消除陶瓷表面的微裂紋。消除陶瓷表面的微裂紋。 二、陶瓷的物理性能和化學(xué)性能二、陶瓷的物理性能和化學(xué)性能 1.1.熱膨脹性能熱膨脹性能 陶瓷的線膨脹系數(shù)很低，比高聚物低，比金屬更低。陶瓷的線膨脹系數(shù)很低，比高聚物低，比金屬更低。 2.2.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 由于陶瓷無自由電子傳熱，導(dǎo)熱性很低，較好絕熱材料。由于陶瓷無自由電子傳熱，導(dǎo)熱性很低，較好絕熱材料。 3.3.化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很好的耐火材料和坩堝材料。對酸、堿、結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很好的耐火材料和坩堝材料。對酸、堿、鹽等腐蝕性很強的介質(zhì)均有較強的抵抗能力，與許多金屬的鹽等腐蝕性很強的介質(zhì)

23、均有較強的抵抗能力，與許多金屬的熔體也不發(fā)生作用。熔體也不發(fā)生作用。 4.4.導(dǎo)電性導(dǎo)電性 變化范圍很廣：由于缺乏電子導(dǎo)電機制變化范圍很廣：由于缺乏電子導(dǎo)電機制, , 多數(shù)陶瓷是良多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體；不少陶瓷既是離子導(dǎo)體好的絕緣體；不少陶瓷既是離子導(dǎo)體, , 又有一定的電子導(dǎo)電又有一定的電子導(dǎo)電性；許多氧化物（性；許多氧化物（ZnOZnO、NiONiO、FeFe3 3O O4 4）是重要的半導(dǎo)體材料。）是重要的半導(dǎo)體材料。 總之總之 陶瓷材料具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)陶瓷材料具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、不老化性、高的硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，定性、不老化性、高的

24、硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差。溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差。 第五節(jié)第五節(jié) 常用陶瓷材料常用陶瓷材料普通陶瓷普通陶瓷 普通日用陶瓷普通日用陶瓷 一、普通日用陶瓷的用途和特點一、普通日用陶瓷的用途和特點 日用器皿和瓷器，一般具有良好的光澤度、透明度，熱日用器皿和瓷器，一般具有良好的光澤度、透明度，熱穩(wěn)定性和機械強度較高。穩(wěn)定性和機械強度較高。 二、常用普通日用陶瓷二、常用普通日用陶瓷 （1 1）長石質(zhì)瓷）長石質(zhì)瓷 國內(nèi)外常用的日用瓷，作一般工業(yè)瓷制品。國內(nèi)外常用的日用瓷，作一般工業(yè)瓷制品。 （2 2）絹云母質(zhì)瓷）絹云母質(zhì)瓷 我國的傳統(tǒng)日用瓷。我國的傳

25、統(tǒng)日用瓷。 （3 3）骨質(zhì)瓷）骨質(zhì)瓷 近些年得到廣泛應(yīng)用，主要作高級日用瓷制近些年得到廣泛應(yīng)用，主要作高級日用瓷制品。品。 （4 4）滑石質(zhì)瓷）滑石質(zhì)瓷 我國發(fā)展的綜合性能好的新型高質(zhì)瓷。我國發(fā)展的綜合性能好的新型高質(zhì)瓷。 （5 5）高石英質(zhì)日用瓷）高石英質(zhì)日用瓷 最近我國研制成功，石英含量最近我國研制成功，石英含量 40%40%，瓷質(zhì)細(xì)膩、色調(diào)柔和、透光度好、機械強度和熱穩(wěn)，瓷質(zhì)細(xì)膩、色調(diào)柔和、透光度好、機械強度和熱穩(wěn)定性好。定性好。 普通工業(yè)陶瓷普通工業(yè)陶瓷 一、建筑衛(wèi)生瓷 用于裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等，通常尺寸較大，要求強度和熱穩(wěn)定性好。 建筑陶瓷 衛(wèi)生陶瓷二、化學(xué)化工瓷二、化學(xué)化工瓷

26、 用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實驗室中的管道設(shè)備、耐用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實驗室中的管道設(shè)備、耐蝕容器及實驗器皿等，通常要求耐各種化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力蝕容器及實驗器皿等，通常要求耐各種化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力要強。要強。 三、電工瓷三、電工瓷 主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷，要求機械性能高、主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷，要求機械性能高、介電性能和熱穩(wěn)定性好。介電性能和熱穩(wěn)定性好。w改善工業(yè)陶瓷性能的方法：改善工業(yè)陶瓷性能的方法： 加入加入MgOMgO、ZnOZnO、BaOBaO、Cr2O3Cr2O3等或增加莫來石晶體相，提高等或增加莫來石晶體相，提高機械強度和耐堿抗力；機械強度和耐堿抗力；

27、 加入加入Al2O3Al2O3、ZrO2ZrO2等提高強度和熱穩(wěn)定性；加入滑石或鎂砂等提高強度和熱穩(wěn)定性；加入滑石或鎂砂降低熱膨脹系數(shù)；降低熱膨脹系數(shù)； 加入加入SiCSiC提高導(dǎo)熱性和強度。提高導(dǎo)熱性和強度。 w 幾種普通陶瓷的基本性能幾種普通陶瓷的基本性能 特種陶瓷特種陶瓷 特種陶瓷也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷。特種陶瓷也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷。包括特種結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類，如壓電陶瓷、包括特種結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。 工程上最重要的是高溫陶瓷，包括氧化物陶瓷、工程上最重要的是高溫陶瓷，包

28、括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。w 特種陶瓷的種類及用途特種陶瓷的種類及用途 一一. .氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化物陶瓷熔點大多氧化物陶瓷熔點大多2000 2000 以上以上, , 燒成溫度約燒成溫度約1800 1800 ；單相；單相多晶體結(jié)構(gòu)，有時有少量氣相；強度隨溫度的升高而降低，在多晶體結(jié)構(gòu)，有時有少量氣相；強度隨溫度的升高而降低，在1000 1000 以下時一直保持較高強度，隨溫度變化不大；純氧化物以下時一直保持較高強度，隨溫度變化不大；純氧化物陶瓷任何高溫下都不會氧化。陶瓷任何高溫下都不會氧化。 1 1、氧化鋁（剛玉）陶瓷、氧化鋁

29、（剛玉）陶瓷 氧化鋁的結(jié)構(gòu)是氧化鋁的結(jié)構(gòu)是O2-O2-排成密排六方結(jié)構(gòu)，排成密排六方結(jié)構(gòu)，Al3+Al3+占據(jù)間隙位置。占據(jù)間隙位置。 根據(jù)含雜質(zhì)的多少根據(jù)含雜質(zhì)的多少, , 氧化鋁呈紅色氧化鋁呈紅色( (如紅寶石如紅寶石) )或藍色或藍色( (如藍寶如藍寶石石) )；實際生產(chǎn)中；實際生產(chǎn)中, , 氧化鋁陶瓷按氧化鋁陶瓷按Al2O3Al2O3含量可分為含量可分為7575、9595和和9999等等幾種。幾種。 氧化鋁氧化鋁 熔點達熔點達2050 2050 ，抗氧化性好，廣泛用于耐火材料；，抗氧化性好，廣泛用于耐火材料； 較高純度的較高純度的Al2O3Al2O3粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)后得到剛玉耐火

30、磚、粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)后得到剛玉耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管等高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管等 微晶剛玉微晶剛玉 硬度極高（僅次于金剛石），紅硬性達硬度極高（僅次于金剛石），紅硬性達1200 1200 ，可作要求，可作要求高的工具如切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。很高的電阻率和低的導(dǎo)熱高的工具如切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。很高的電阻率和低的導(dǎo)熱率，是很好的電絕緣材料和絕熱材料。強度和耐熱強度均較高（是普通率，是很好的電絕緣材料和絕熱材料。強度和耐熱強度均較高（是普通陶瓷的陶瓷的5 5倍），是很好的高溫耐火結(jié)構(gòu)材料，如可作內(nèi)燃機火花塞、空倍），是很好的高溫耐火結(jié)構(gòu)材料，

31、如可作內(nèi)燃機火花塞、空壓機泵零件等。壓機泵零件等。 單晶體氧化鋁單晶體氧化鋁 可做藍寶石激光器；可做藍寶石激光器； 氧化鋁管坯做鈉蒸氣照明燈泡。氧化鋁管坯做鈉蒸氣照明燈泡。 氧化鋁熱電偶套管氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷噴咀 2 2、氧化鈹陶瓷、氧化鈹陶瓷 氧化鈹陶瓷具備一般陶瓷的特性，氧化鈹陶瓷具備一般陶瓷的特性， 導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，抗熱沖擊性較導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，抗熱沖擊性較高；高； 消散高能輻射的能力強、熱中子阻尼系數(shù)大。消散高能輻射的能力強、熱中子阻尼系數(shù)大。 強度低，強度低， 氧化鈹陶瓷制造坩堝，作真空陶瓷和原子反應(yīng)堆氧化鈹陶瓷制造坩堝，作真空陶瓷和原子反應(yīng)堆陶瓷，氣體

32、激光管、晶體管散熱片和集成電路的基陶瓷，氣體激光管、晶體管散熱片和集成電路的基片和外殼等。片和外殼等。 3 3、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷 熔點在熔點在27002700以上，耐以上，耐23002300高溫，推薦使用溫高溫，推薦使用溫度度2000200022002200； 能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和堝和18001800以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等；等； 氧化鋯作添加劑大大提高陶瓷材料的強度和韌性，氧化鋯作添加劑大大提高陶瓷材料的強度和韌性，氧化鋯增韌陶瓷可替代金屬制造模具、拉絲模、泵氧化鋯增韌陶瓷

33、可替代金屬制造模具、拉絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。 4 4、氧化鎂鈣陶瓷、氧化鎂鈣陶瓷 氧化鎂鈣陶瓷通常是通過加熱白云石（鎂或鈣氧化鎂鈣陶瓷通常是通過加熱白云石（鎂或鈣的碳酸鹽）礦石除去的碳酸鹽）礦石除去CO2CO2而制成的。而制成的。 特點特點: : 能抗各種金屬堿性渣的作用，常用作爐襯的能抗各種金屬堿性渣的作用，常用作爐襯的耐火磚。耐火磚。 缺點缺點: : 熱穩(wěn)定性差，熱穩(wěn)定性差，MgOMgO在高溫下易揮發(fā)，在高溫下易揮發(fā)，CaOCaO甚至甚至在空氣中就易水化。在空氣中就易水化。 二、碳化物陶瓷二、碳化物陶瓷 碳化物陶瓷有很高的熔點、硬度

34、（近于金剛石）和耐磨性（特別是碳化物陶瓷有很高的熔點、硬度（近于金剛石）和耐磨性（特別是在浸蝕性介質(zhì)中）在浸蝕性介質(zhì)中） 缺點是耐高溫氧化能力差（約缺點是耐高溫氧化能力差（約90090010001000）、脆性極大）、脆性極大 1 1、碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷 密度為密度為 3.23.2103 kg/m3103 kg/m3； 彎曲強度為彎曲強度為 200MPa200MPa250MPa250MPa，抗壓強度，抗壓強度1000MPa1000MPa1500MPa1500MPa； 硬度莫氏硬度莫氏9.29.2； 熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)很小，在熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)很小，在90090013001300時慢

35、慢氧化時慢慢氧化 主要用于制造加熱元件、石墨表面保護層以及砂輪及磨料等主要用于制造加熱元件、石墨表面保護層以及砂輪及磨料等碳化硅陶瓷坩堝碳化硅陶瓷密封件 2.2.碳化硼碳化硼碳化硼陶瓷硬度極高，抗磨粒磨損能力很強；碳化硼陶瓷硬度極高，抗磨粒磨損能力很強； 熔點達熔點達24502450，高溫下會快速氧化，與熱或熔融，高溫下會快速氧化，與熱或熔融黑色金屬發(fā)生反應(yīng)，使用溫度限定在黑色金屬發(fā)生反應(yīng)，使用溫度限定在980980以下。以下。 主要用于作磨料，有時用于制造超硬質(zhì)工具材料。主要用于作磨料，有時用于制造超硬質(zhì)工具材料。 3.3.其它碳化物陶瓷其它碳化物陶瓷 碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯

36、陶瓷碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯陶瓷 熔點和硬度都很高。熔點和硬度都很高。 在在20002000以上的中性或還原氣氛作高溫材料；以上的中性或還原氣氛作高溫材料； 碳化鈮、碳化鈦還可用于碳化鈮、碳化鈦還可用于25002500以上的氮氣氣氛以上的氮氣氣氛 中的高溫材料。中的高溫材料。 三、硼化物陶瓷三、硼化物陶瓷 硼化物陶瓷有硼化鉻、硼化鉬、硼化鈦、硼化鎢和硼化硼化物陶瓷有硼化鉻、硼化鉬、硼化鈦、硼化鎢和硼化鋯等。鋯等。 硼化物陶瓷具有高硬度；硼化物陶瓷具有高硬度； 具有較好的耐化學(xué)浸蝕能力；具有較好的耐化學(xué)浸蝕能力； 熔點范圍為熔點范圍為1800180025002500； 比起碳化物陶

37、瓷，硼化物陶瓷具有較高的抗高溫氧化性比起碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有較高的抗高溫氧化性能，使用溫度達能，使用溫度達14001400。 硼化物主要用于高溫軸承、內(nèi)燃機噴嘴、各種高溫器件、硼化物主要用于高溫軸承、內(nèi)燃機噴嘴、各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等。處理熔融非鐵金屬的器件等。 各種硼化物還用作電觸點材料。各種硼化物還用作電觸點材料。 四四. .氮化物陶瓷氮化物陶瓷 1.氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是鍵能高而穩(wěn)定的共價鍵晶體。氮化硅陶瓷是鍵能高而穩(wěn)定的共價鍵晶體。 1 1）特點）特點 硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤滑作用，是優(yōu)良的耐磨減硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤滑作用，是優(yōu)良的耐磨減摩材

38、料；摩材料； 氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低，而抗氧化溫度高于碳化氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低，而抗氧化溫度高于碳化物和硼化物；物和硼化物； 12001200以下具有較高的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨以下具有較高的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊，可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料；脹系數(shù)小、抗熱沖擊，可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料； 耐各種無機酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕，優(yōu)良的耐耐各種無機酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕，優(yōu)良的耐腐蝕材料。腐蝕材料。 2 2）應(yīng)用：）應(yīng)用： 反應(yīng)燒結(jié)法得到的反應(yīng)燒結(jié)法得到的-Si3N4-Si3N4用于制造各種泵的耐蝕、耐磨密封環(huán)等零用于制造各種泵的耐蝕、耐磨密封環(huán)等零件。

39、件。 熱壓燒結(jié)法得到的熱壓燒結(jié)法得到的-Si3N4, -Si3N4, 用于制造高溫軸承、轉(zhuǎn)子葉片、靜葉片用于制造高溫軸承、轉(zhuǎn)子葉片、靜葉片以及加工難切削材料的刀具等。以及加工難切削材料的刀具等。 在在Si3N4Si3N4中加一定量中加一定量Al2O3Al2O3燒制成陶瓷可制造柴油機的氣缸、活塞和燃燒制成陶瓷可制造柴油機的氣缸、活塞和燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)動葉輪。氣輪機的轉(zhuǎn)動葉輪。 氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷軸承滾珠 2、氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 六方氮化硼為六方晶體結(jié)構(gòu)，也叫六方氮化硼為六方晶體結(jié)構(gòu)，也叫“白色石墨白色石墨”。 硬度低，可進行各種切削加工；硬度低，可進行各種切削加工； 導(dǎo)熱和抗熱性能高，耐熱性

40、好，有自潤滑性能；導(dǎo)熱和抗熱性能高，耐熱性好，有自潤滑性能； 高溫下耐腐蝕、絕緣性好。高溫下耐腐蝕、絕緣性好。 用于高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤滑劑等。用于高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤滑劑等。 在高壓和在高壓和13601360時六方氮化硼轉(zhuǎn)化為立方時六方氮化硼轉(zhuǎn)化為立方-BN-BN，硬度接近金剛石的硬，硬度接近金剛石的硬度，用作金剛石的代用品度，用作金剛石的代用品, , 制作耐磨切削刀具、高溫模具和磨料等。制作耐磨切削刀具、高溫模具和磨料等。 氮化硼陶瓷刀具氮化硼陶瓷刀具 3 3、氮化鈦陶瓷、氮化鈦陶瓷 硬度高（硬度高（1800HV)1800HV)、耐磨。、耐磨。 刃具表面涂層；刃具表

41、面涂層； 耐磨零件表面涂層；耐磨零件表面涂層； 金黃色裝飾表面金黃色裝飾表面。幾種普通陶瓷的基本性能 陶瓷種類陶瓷種類 日用陶瓷日用陶瓷 建筑陶建筑陶瓷瓷 高壓陶瓷高壓陶瓷 耐酸陶瓷耐酸陶瓷 密度密度/（103kgm-3） 2.32.5 2.2 2.32.4 2.22.3 氣孔率氣孔率/% 5 6 吸水率吸水率/% 37 3 抗拉強度抗拉強度/MPa 10.851.9 2335 812 抗壓強度抗壓強度/MPa 568.4803.6 80120 抗彎強度抗彎強度/MPa 4065 4096 7080 4060 沖擊韌度沖擊韌度/(kJm-2) 1.82.1 1.82.2 11.5 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)/（10-6/） 2.54.5 4