1、第第5章章 陶瓷材料陶瓷材料5.1 陶瓷材料概述陶瓷材料概述5.2 普通陶瓷普通陶瓷5.3 特種陶瓷特種陶瓷陶器陶器瓷器瓷器 玻璃玻璃 搪瓷搪瓷 耐火材料耐火材料 磚瓦磚瓦現(xiàn)今現(xiàn)今 無機非金屬材料無機非金屬材料的通稱。的通稱。傳統(tǒng)意義上陶瓷：傳統(tǒng)意義上陶瓷：粘土粘土石英石英長石長石石灰石石灰石硅酸鹽類材料硅酸鹽類材料5.1 陶瓷材料概述陶瓷材料概述1. 陶瓷的概念陶瓷的概念 無機玻璃：無機玻璃： 硅酸鹽玻璃，非晶結構。包括：工業(yè)玻璃；建筑玻璃；日用玻璃硅酸鹽玻璃，非晶結構。包括：工業(yè)玻璃；建筑玻璃；日用玻璃 微晶玻璃（玻璃陶瓷）：微晶玻璃（玻璃陶瓷）： 耐熱耐蝕微晶玻璃，光學玻璃陶瓷，無線電透

2、明微晶玻璃，熔渣耐熱耐蝕微晶玻璃，光學玻璃陶瓷，無線電透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷玻璃陶瓷 工程陶瓷：工程陶瓷： 普通陶瓷普通陶瓷日用，建筑衛(wèi)生，電器（絕緣），化工，多孔日用，建筑衛(wèi)生，電器（絕緣），化工，多孔 特種陶瓷特種陶瓷電容器，壓電，磁性，電光，高溫電容器，壓電，磁性，電光，高溫 金屬陶瓷金屬陶瓷金屬與陶瓷的復合材料金屬與陶瓷的復合材料 2. 陶瓷的分類陶瓷的分類(1)原料制備原料制備（揀選，破碎，磨細，混合）（揀選，破碎，磨細，混合）普通陶瓷普通陶瓷（粘土，石英，長石等天然材料）（粘土，石英，長石等天然材料） 特種陶瓷特種陶瓷（人工的化學或化工原料（人工的化學或化工原料-各種化合物各種

3、化合物如氧、碳、氮、硼化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形坯料的成形（壓制成形壓制成形，可塑成形，注漿成形），可塑成形，注漿成形） (3)燒成或燒結燒成或燒結3. 工程陶瓷的生產(chǎn)工程陶瓷的生產(chǎn)(SiO2Al2O3Fe2O3CaO)SiO2SiO2Al2O3K2O4. 4. 陶瓷材料的結構陶瓷材料的結構陶瓷的典型組織：陶瓷的典型組織：晶體相晶體相、玻璃相玻璃相和和氣相氣相組織：點狀一次莫來石、針狀二次莫來石、塊狀殘留石英、小黑洞氣孔組織：點狀一次莫來石、針狀二次莫來石、塊狀殘留石英、小黑洞氣孔1) 剛度：高剛度：高2) 硬度：高硬度：高3) 強度：低強度：低4) 塑性：低塑性：低5)

4、 韌性或脆性：極低或極大韌性或脆性：極低或極大5. 陶瓷材料的機械性能陶瓷材料的機械性能1) 熱膨脹性能：低熱膨脹性能：低2) 導熱性：差導熱性：差3) 熱穩(wěn)定性：低熱穩(wěn)定性：低4) 化學穩(wěn)定性：好化學穩(wěn)定性：好5) 導電性：差導電性：差6. 陶瓷的物理和化學性能陶瓷的物理和化學性能材料類型材料類型結合鍵結合鍵性能特點性能特點金屬材料金屬材料金屬鍵金屬鍵強度高、韌性好，塑性變形能力強，綜合機強度高、韌性好，塑性變形能力強，綜合機械性能好，通過熱處理可以大幅度改變機械械性能好，通過熱處理可以大幅度改變機械性能，導電、導熱性好性能，導電、導熱性好高分子材高分子材料料共價鍵、共價鍵、分子鍵分子鍵低強

5、度、高彈性、粘彈性、韌性好、高減摩、低強度、高彈性、粘彈性、韌性好、高減摩、耐磨性、耐磨性、高絕緣性、低耐熱性、低導熱性、高絕緣性、低耐熱性、低導熱性、高熱膨脹性、高化學穩(wěn)定性、高熱膨脹性、高化學穩(wěn)定性、老化老化陶瓷材料陶瓷材料離子鍵、離子鍵、共價鍵共價鍵不可燃燒，高耐熱，高化學穩(wěn)定，不老化，不可燃燒，高耐熱，高化學穩(wěn)定，不老化，高硬度，良好抗壓能力；脆性高，溫度急變高硬度，良好抗壓能力；脆性高，溫度急變抗力低，抗拉抗彎性能差抗力低，抗拉抗彎性能差金屬、高分子、陶瓷材料結構性能比較金屬、高分子、陶瓷材料結構性能比較5.1 普通陶瓷普通陶瓷1、普通日用陶瓷、普通日用陶瓷日用器皿和瓷器，光澤度、透

6、明度，熱穩(wěn)定性和機械強度日用器皿和瓷器，光澤度、透明度，熱穩(wěn)定性和機械強度 2、普通工業(yè)陶瓷、普通工業(yè)陶瓷 建筑衛(wèi)生瓷、化學化工瓷、電工瓷建筑衛(wèi)生瓷、化學化工瓷、電工瓷 特種陶瓷特種陶瓷現(xiàn)代陶瓷、精細陶瓷或高性能陶瓷現(xiàn)代陶瓷、精細陶瓷或高性能陶瓷 特種特種結構陶瓷結構陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。電容器陶瓷、高溫陶瓷等。 工程上最重要的是工程上最重要的是高溫陶瓷高溫陶瓷。 高溫陶瓷主要包括高溫陶瓷主要包括氧化物陶瓷氧化物陶瓷、硼化物陶瓷硼化物陶瓷、氮化氮化物陶瓷物陶瓷和和碳化物陶瓷碳化物陶瓷。5.2 特種陶瓷特種陶瓷 5.2.1

7、 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 熔點大多在熔點大多在2000以上，燒成溫度在以上，燒成溫度在1800左右。左右。 氧化物陶瓷在氧化物陶瓷在1000以下一直保持較高的強度。以下一直保持較高的強度。 單相多晶體結構，有時有少量氣相。單相多晶體結構，有時有少量氣相。 很好的很好的高耐火度結構材料高耐火度結構材料，任何高溫下都不會氧化。，任何高溫下都不會氧化。 例：例：Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2和和UO22050，抗氧化性好抗氧化性好，廣泛用作，廣泛用作耐火材料耐火材料微晶剛玉的硬度極高微晶剛玉的硬度極高，紅硬性達紅硬性達1200很好的很好的電絕緣和絕熱材料，電絕緣和絕熱材料，具有

8、具有很高的電阻率和低的導熱率；很高的電阻率和低的導熱率；很好的很好的高溫耐火結構材料，高溫耐火結構材料，其強度和耐熱強度均較高其強度和耐熱強度均較高 1氧化鋁氧化鋁(剛玉剛玉,Al2O3)陶瓷陶瓷氧化鋁熱電偶套管氧化鋁熱電偶套管氧化鋁陶瓷噴嘴氧化鋁陶瓷噴嘴氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán)性能特點：性能特點：導熱性極好導熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性；抗熱沖，很高的熱穩(wěn)定性；抗熱沖擊性較高。擊性較高。應用：應用：坩堝坩堝，真空陶瓷和原子反應堆陶瓷等。，真空陶瓷和原子反應堆陶瓷等。2氧化鈹氧化鈹(BeO)陶瓷陶瓷3氧化鎂鈣氧化鎂鈣(CaO,MgO)陶瓷陶瓷抗各種金屬堿性渣的作用，因而用作爐襯的抗各種金屬

9、堿性渣的作用，因而用作爐襯的耐火磚耐火磚。u熔點熔點2700以上，能耐以上，能耐2300 的高溫，的高溫，u能抗熔融金屬的侵蝕，能抗熔融金屬的侵蝕，u應用：應用：鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和和1800以上的以上的發(fā)熱發(fā)熱體及爐子、反應堆絕熱材料體及爐子、反應堆絕熱材料等。等。u氧化鋯作添加劑可大大提高陶瓷材料的強度和韌性。氧化鋯作添加劑可大大提高陶瓷材料的強度和韌性。4氧化鋯氧化鋯(ZrO2)陶瓷陶瓷碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中應用最廣泛。碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中應用最廣泛。硬度高于剛玉和氧化鈹?shù)挠捕取Ｓ捕雀哂趧傆窈脱趸數(shù)挠捕?。熱導率很高，而熱膨脹系?shù)很小，但在熱導率很高，而熱

10、膨脹系數(shù)很小，但在900一一1300時會慢慢氧化。時會慢慢氧化。應用：應用：加熱元件、石墨表面保護層以及砂輪和磨料等加熱元件、石墨表面保護層以及砂輪和磨料等5.2.2 碳化物陶瓷碳化物陶瓷 1碳化硅碳化硅(SiC)陶瓷陶瓷碳化硼陶瓷的碳化硼陶瓷的硬度極高硬度極高，抗磨粒磨損能力很強抗磨粒磨損能力很強；熔點高達熔點高達2450左右，但在高溫下會快速氧化，并左右，但在高溫下會快速氧化，并且與熱或熔融黑色金屬發(fā)生反應。且與熱或熔融黑色金屬發(fā)生反應。用途：用途：磨料磨料，有時用于，有時用于超硬質工具材料超硬質工具材料。2碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷高硬度高硬度具有較好的耐化學侵蝕能力具有較好的耐化學侵蝕能力具

11、有較高的抗高溫氧化性能具有較高的抗高溫氧化性能，使用溫度達，使用溫度達1400。應用：應用：高溫軸承、內(nèi)燃機噴嘴、各種高溫器件、處高溫軸承、內(nèi)燃機噴嘴、各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等。理熔融非鐵金屬的器件等。5.2.3 硼化物陶瓷硼化物陶瓷優(yōu)良的耐磨減摩材料：優(yōu)良的耐磨減摩材料：硬度高、摩擦系數(shù)低，且有自硬度高、摩擦系數(shù)低，且有自潤滑作用潤滑作用優(yōu)良的高溫結構材料：優(yōu)良的高溫結構材料：在在1200以下具有較高的機械以下具有較高的機械性能和化學穩(wěn)定性，并且熱膨脹系數(shù)小，抗熱沖擊性能和化學穩(wěn)定性，并且熱膨脹系數(shù)小，抗熱沖擊優(yōu)良的耐腐蝕材料：優(yōu)良的耐腐蝕材料：能耐各種無機酸能耐各種無機酸(氫

12、氟酸除外氫氟酸除外)和和堿溶液侵蝕。堿溶液侵蝕。 5.2.4 氮化物陶瓷氮化物陶瓷氮化硅氮化硅(Si3N4)和氮化硼和氮化硼(BN) 1氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 具有石墨類型的六方晶體結構，因而也叫具有石墨類型的六方晶體結構，因而也叫“白色石墨白色石墨”。特點：硬度較低，可與石墨一樣進行各種切削加工；特點：硬度較低，可與石墨一樣進行各種切削加工； 導熱和抗熱性能高，耐熱性好，有自潤滑性能；導熱和抗熱性能高，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。應用：應用：高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤滑劑等高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤滑劑等。2氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷第六章第

13、六章 復合材料復合材料6.1 復合材料的復合原則復合材料的復合原則6.2 復合材料的性能特點復合材料的性能特點6.3 非金屬基復合材料非金屬基復合材料6.4 金屬基復合材料金屬基復合材料l最大特點：最大特點：性能比組成材料的性能優(yōu)越得多。性能比組成材料的性能優(yōu)越得多。l由由金屬金屬、高分子高分子和和陶瓷陶瓷中任兩種或幾種制備而成。中任兩種或幾種制備而成。第六章第六章 復合材料復合材料l定義：定義：指兩種或兩種以上的物理、化學性質不同的物指兩種或兩種以上的物理、化學性質不同的物質，經(jīng)一定方法得到的一種新的多相固體材料。質，經(jīng)一定方法得到的一種新的多相固體材料。 例：例：木材木材；鋼筋混凝土鋼筋混

14、凝土；土坯；玻璃纖維擋泥板土坯；玻璃纖維擋泥板6.1 復合材料的復合原則復合材料的復合原則組成：組成：基體材料基體材料和和增強相增強相 基體：基體：金屬、非金屬金屬、非金屬 增強相：增強相：具有強結合鍵材料或硬質材料具有強結合鍵材料或硬質材料，可以是，可以是纖維纖維、顆粒顆粒、晶須晶須等。等。 兩者的類型和性質以及兩者之間的結合力，決兩者的類型和性質以及兩者之間的結合力，決定著復合材料的性能。定著復合材料的性能。 增強相的形狀、數(shù)量、分布以及制備過程等也增強相的形狀、數(shù)量、分布以及制備過程等也大大影響復合材料的性能。大大影響復合材料的性能。增強相，強結合鍵，增強相，強結合鍵，陶瓷陶瓷、玻璃玻璃

15、等，脆性大等，脆性大細纖維細纖維高分子基，纖維增強相起到高分子基，纖維增強相起到有效阻止基體分子鏈的運有效阻止基體分子鏈的運動動金屬基，纖維增強相的作用就是金屬基，纖維增強相的作用就是有效阻止位錯的運動有效阻止位錯的運動6.1.1 纖維增強復合材料的復合機制和原則纖維增強復合材料的復合機制和原則(1) 纖維相應有高的強度和模量，并且要高于基體材料纖維相應有高的強度和模量，并且要高于基體材料。(2) 基體相應對纖維相有潤濕性基體相應對纖維相有潤濕性；基體相還應有一定的塑基體相還應有一定的塑性和韌性性和韌性。(3) 纖維相與基體之間結合強度應適當高纖維相與基體之間結合強度應適當高。復合原則：復合原

16、則：(4) 基體與增強相的熱膨脹系數(shù)不能相差過大基體與增強相的熱膨脹系數(shù)不能相差過大。(5) 纖維相必須有合理的含量、尺寸和分布纖維相必須有合理的含量、尺寸和分布。(6) 纖維和基體間不能發(fā)生有害的化學反應纖維和基體間不能發(fā)生有害的化學反應。6.1.2 顆粒復合材料的復合機制和原則顆粒復合材料的復合機制和原則l對于顆粒復合材料，顆粒的作用是對于顆粒復合材料，顆粒的作用是阻礙分子鏈或位阻礙分子鏈或位錯的運動錯的運動。l增強的效果同樣與顆粒的體積含量、分布、尺寸等增強的效果同樣與顆粒的體積含量、分布、尺寸等密切相關。密切相關。復合原則：復合原則： (1)顆粒相應高度均勻彌散分布在基體中顆粒相應高度

17、均勻彌散分布在基體中，阻礙分子鏈，阻礙分子鏈或位錯運動?；蛭诲e運動。 (2)顆粒大小應適當，顆粒大小應適當，顆粒直徑為幾微米到幾十微米。顆粒直徑為幾微米到幾十微米。 (3)顆粒的體積含量應在顆粒的體積含量應在20以上以上。 (4)顆粒與基體之間應有一定的結合強度顆粒與基體之間應有一定的結合強度。1、高的比強度和比模量高的比強度和比模量是復合材料的突出性能特點。是復合材料的突出性能特點。2、很好的抗疲勞性能，好的抗斷裂能力。很好的抗疲勞性能，好的抗斷裂能力。3、具有很優(yōu)越的耐高溫性能具有很優(yōu)越的耐高溫性能4、良好的減摩、耐磨性和較強的減振能力良好的減摩、耐磨性和較強的減振能力6.2 復合材料的性

18、能特點復合材料的性能特點6.3 非金屬基復合材料非金屬基復合材料非金屬基復合材料又分為：非金屬基復合材料又分為： 聚合物基復合材料聚合物基復合材料 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料 石墨基復合材料石墨基復合材料 混凝土基復合材料混凝土基復合材料其中以纖維增強聚合物基和陶瓷基復合材料最為常用其中以纖維增強聚合物基和陶瓷基復合材料最為常用熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼 以以熱固性樹脂熱固性樹脂為粘接劑的為粘接劑的玻璃纖維玻璃纖維增強材料。增強材料。 酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和有機硅樹脂等。酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和有機硅樹脂等。優(yōu)點：優(yōu)點：成型工藝簡單、質量輕、比強度高、耐蝕性成型工藝簡單、質量輕、

19、比強度高、耐蝕性能好；能好；缺點：缺點：彈性模量低、耐熱溫度低彈性模量低、耐熱溫度低(低于低于250)、易老、易老化等。化等。（1）玻璃鋼）玻璃鋼熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼以熱塑性樹脂為粘接劑的玻璃纖維增強材料。以熱塑性樹脂為粘接劑的玻璃纖維增強材料。尼龍、尼龍、ABS、聚苯乙烯熱塑性玻璃鋼、聚苯乙烯熱塑性玻璃鋼 成型性更好、生產(chǎn)率更高，而且比強度并不低，所以成型性更好、生產(chǎn)率更高，而且比強度并不低，所以其應用非常廣泛。其應用非常廣泛。性能特點：性能特點： 碳纖維比玻璃纖維有更高的強度；碳纖維比玻璃纖維有更高的強度； 彈性模量比玻璃纖維高幾倍；彈性模量比玻璃纖維高幾倍； 高低溫性能好：在高低溫性

20、能好：在2000以上的高溫下，強度和彈以上的高溫下，強度和彈性模量基本不變，性模量基本不變，-180以下時脆性也不增高；以下時脆性也不增高； 很高的化學穩(wěn)定性、導電性和低的摩擦系數(shù)。很高的化學穩(wěn)定性、導電性和低的摩擦系數(shù)。缺點：脆性大，與樹脂的結合力較弱，表面氧化處理缺點：脆性大，與樹脂的結合力較弱，表面氧化處理碳纖維樹脂復合材料性能普遍優(yōu)于樹脂玻璃鋼碳纖維樹脂復合材料性能普遍優(yōu)于樹脂玻璃鋼（2）碳纖維樹脂復合材料）碳纖維樹脂復合材料 硼纖維的比強度與玻璃纖維的相近；硼纖維的比強度與玻璃纖維的相近； 但比彈性模量卻比玻璃纖維的高但比彈性模量卻比玻璃纖維的高5倍；倍； 而且耐熱性更高，無氧化條件

21、下可達而且耐熱性更高，無氧化條件下可達1000。 這類材料的抗壓強度和剪切強度都很高，并且蠕變小、這類材料的抗壓強度和剪切強度都很高，并且蠕變小、硬度和彈性模量高，尤其是其疲勞強度很高，耐輻射硬度和彈性模量高，尤其是其疲勞強度很高，耐輻射及導熱極好。及導熱極好。 （3）硼纖維樹脂復合材料）硼纖維樹脂復合材料陶瓷基復合材料具有高強度、高模量、低密度、耐陶瓷基復合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性。高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性。6.3.2 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料u碳纖維及其制品碳纖維及其制品(如碳氈如碳氈)增強的碳基復合材料，其組成增強的碳基復合材料，其組成元素為單一

22、的碳，密度小、導熱性高、膨脹系數(shù)低以及元素為單一的碳，密度小、導熱性高、膨脹系數(shù)低以及對熱沖擊不敏感。對熱沖擊不敏感。u強度和沖擊韌性比石墨高強度和沖擊韌性比石墨高510倍，比強度非常高；隨倍，比強度非常高；隨溫度升高，強度升高；斷裂韌性高、蠕變低；化學穩(wěn)定溫度升高，強度升高；斷裂韌性高、蠕變低；化學穩(wěn)定性高，耐磨性極好。性高，耐磨性極好。最好的高溫復合材料，耐溫最高可最好的高溫復合材料，耐溫最高可達達2800。u性能主要取決于碳纖維的類型、含量和取向等。性能主要取決于碳纖維的類型、含量和取向等。u一般是單向增強復合材料沿纖維方向強度最高，但橫向一般是單向增強復合材料沿纖維方向強度最高，但橫向性能較差，正交增強可以減少縱、橫兩向的強度差異。性能較差，正交增強可以減少縱、橫兩向的強度差異。6.3.3 碳基復合材料碳基復合材料金屬陶瓷是金屬和陶瓷組成的非均質顆粒增強型復合材金屬陶瓷是金屬和陶瓷組成的非均質顆粒增強型復合材料。氧化物金屬陶瓷多以鉻為粘接金屬