第八章陶瓷材料CERAMICSMATERIALS第八章工程材料基礎(chǔ)

陶器與瓷器的區(qū)別在于：1）使用材料；2）燒成溫度。陶器可以使用包括瓷土在內(nèi)的各種礦物粘土制作，燒成溫度較低，多在700—1000℃之間，胎體基本燒結(jié)，不再遇水分解，但氣孔率和吸水率較高。在顯微鏡下觀察胎體，極少存在玻璃相莫來石結(jié)晶體，換句話說就是沒有瓷化，敲擊之聲較沉悶。瓷器使用的是氧化鋁含量較高的瓷土即高齡土燒制。瓷器的燒成溫度至少在1100℃以上，胎質(zhì)基本瓷化，顯微觀察有大量莫來石結(jié)晶體存在，氣孔率和吸水率較低，敲擊之聲清脆。第八章陶瓷材料第一節(jié)概述

陶瓷材料—

用一些無機(jī)化合物粉末，通過成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的具有高硬度高脆性等特性的多晶固體材料

一、陶瓷材料的分類按原料來源普通陶瓷（黏土，石英，長石）特種陶瓷（SiC,BN,Al2O3…）按用途日用陶瓷工業(yè)陶瓷功能陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷按性能高強(qiáng)度陶瓷高溫陶瓷耐酸陶瓷…按化學(xué)成分氧化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷…第八章陶瓷材料

二、陶瓷制品的制備坯料制備→成型→燒結(jié)制粉制粉壓制坯料燒結(jié)成品后期處理第八章陶瓷材料

三、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

1.陶瓷材料的結(jié)構(gòu)陶瓷顯微組織示意圖晶相＋玻璃相＋氣相THEEND第八章陶瓷材料1)晶相：陶瓷材料中的主要組成相晶相中的結(jié)合鍵共價(jià)鍵：SiC,BN…離子鍵：CaO,Al2O3…2)玻璃相

一種熔點(diǎn)較低的非晶態(tài)固體．黏

結(jié)分散的晶相顆粒；降低燒結(jié)溫度；減小晶體相顆粒尺寸；填充氣孔。玻璃相熱穩(wěn)定性差，降低陶瓷的抗蠕變性能和絕緣性能。含量20-40%。3)氣相：氣孔有害：↓強(qiáng)度，↓電性能有利：↓比重，吸震，儲(chǔ)油THEEND第八章陶瓷材料

2.陶瓷材料的性能特點(diǎn)

高硬度,高耐磨1)

力學(xué)性能

高脆性

低抗拉強(qiáng)度,較高抗壓強(qiáng)度,高的高溫強(qiáng)度

高彈性模量,低彈性陶瓷與金屬的拉伸曲線示意圖

低抗熱振性THEEND抗壓不抗拉（抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的10-40倍）第八章陶瓷材料

熱性能：高熔點(diǎn)，低熱脹系數(shù)，低導(dǎo)熱，2)物理化學(xué)性能

電性能：絕緣體，半導(dǎo)體，超導(dǎo)體

磁性能：磁性材料，如鐵氧體

光性能：光導(dǎo)纖維，固體激光器

化學(xué)穩(wěn)定性：抗高溫氧化，抗腐蝕第八章陶瓷材料第二節(jié)工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料

一、普通陶瓷

原料：黏土，石英，長石

組織：

25～30%35～60%1～3%（3Al2O3·2SiO2莫來石＋

玻璃相

＋

氣相

性能特點(diǎn)：高硬度，耐磨損，耐腐蝕，絕緣，成本低

用途：絕緣子，導(dǎo)紗器，耐蝕容器，酸堿容器和反應(yīng)塔等第八章陶瓷材料陶瓷絕緣產(chǎn)品陶瓷在電器上的使用第八章陶瓷材料

二、特種陶瓷（先進(jìn)陶瓷）

1.氧化鋁陶瓷Al2O3

主晶相:

性能：高硬度，高強(qiáng)度，高耐磨，良好的高

溫性能，耐蝕，絕緣，高脆性，低抗

熱振性

用途：內(nèi)燃機(jī)火花塞的絕緣體，坩堝，刀

具，活塞，軸承，密封環(huán)…可在1600度長期工作，短時(shí)工作溫度最高1980度少量的SiO2常用的有75瓷（wAl2O3%=75%）、95瓷、99瓷（剛玉瓷）。第八章陶瓷材料內(nèi)燃機(jī)火花塞絕緣體第八章陶瓷材料

2.氮化硅陶瓷

性能：高硬度，低摩擦系數(shù)(0.1-0.2)，有自潤滑性能，高蠕變抗力，絕緣，高抗熱震性，耐蝕

用途：燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片，高溫軸承，密封環(huán)，熱電偶套管等

主晶相：Si3N4用Si3N4粉末燒結(jié)（1600-1700C），20-30MPa壓力Si/Si+Si3N4（粉）+滲氮密度高密度低生產(chǎn)工藝熱壓陶瓷反應(yīng)燒結(jié)陶瓷陶瓷車刀陶瓷鉆頭第八章陶瓷材料第八章陶瓷材料

3.碳化硅陶瓷

性能：高溫強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，高熱穩(wěn)定

性，高蠕變抗力，絕緣，耐蝕，耐放射性元素輻射

主晶相：SiC

用途：燃?xì)廨啓C(jī)葉片，火箭尾噴管的噴嘴，高溫軸承，熱電偶套管，核燃料包封材料1400C抗彎強(qiáng)度500-600MPa，工作溫度1600-1700C制備工藝熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)第八章陶瓷材料4氮化硼陶瓷（1）主要成分：BN六方晶體結(jié)構(gòu)，類似于石墨，“白石墨”（2）性能特點(diǎn)良好的導(dǎo)熱性和耐熱性，低的膨脹率，抗熱振性能優(yōu)異，高溫絕緣性好（2000度仍是絕緣體），化學(xué)穩(wěn)定性高，耐熔融金屬浸蝕，硬度較低，有自潤滑性，中子吸收截面大。（3）工業(yè)應(yīng)用熱電偶套管，熔煉金屬的容器，高溫軸承，高溫絕緣材料，核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒等（B元素的作用）第八章陶瓷材料第八章陶瓷材料陶瓷材料的應(yīng)用實(shí)例脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔艙短時(shí)耐3000度高溫第一級(jí)點(diǎn)火燃燒時(shí)耐P>2107Pa正向壓力隔艙材料完好無損，良好的氣密性第二級(jí)點(diǎn)火燃燒時(shí)隔艙受到反向壓力P>5106Pa正向壓力，瞬間產(chǎn)生粉碎性破壞，最大碎片尺寸6mm.選擇陶瓷材料！原因是陶瓷材料抗壓不抗拉P>2107PaP=5106Pa第一級(jí)點(diǎn)火第二級(jí)點(diǎn)火第八章陶瓷材料第三節(jié)金屬陶瓷

一、粉末冶金方法及其應(yīng)用

1.粉末冶金法的基本工藝過程

——以金屬氧化物（如、等）或金屬碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）為主要成分，再加入適量的金屬粉末（如Co、Cr、Fe、Ni、Mo等），通過粉末冶金方法制成的具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷。Al2O3ZrO2粉末冶金：用粉末為原料、壓制成型并經(jīng)過燒結(jié)而制成零件或者毛坯，這種方法稱為粉末冶金。第八章陶瓷材料2)結(jié)構(gòu)材料如，用碳鋼、合金鋼粉末燒結(jié)成油泵齒輪、電鉆齒輪、凸輪、襯套…3)高熔點(diǎn)金屬材料如,金屬陶瓷，W，Mo,Ta,Nb等高熔點(diǎn)金屬及合金…

2.粉末冶金的應(yīng)用1)減摩材料如，含油軸承鐵基,如Fe+石墨,Fe+S+石墨銅基,如Cu+Sb+Pb+Zn+石墨粉末制備→壓制成型→燒結(jié)→后處理工藝過程第八章陶瓷材料

粉

末

冶

金

制

品第八章陶瓷材料

二、金屬陶瓷硬質(zhì)合金

1.硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)及加工裝夾硬質(zhì)合金—以金屬碳化物(如WC,TiC,TaC等）為基體，再加入適量金屬(如Co,Ni,Mo等)粉末作黏結(jié)劑燒結(jié)而成的、具有高硬度的粉末冶金材料

高硬度,86～93HRA(相當(dāng)于69～81HRC)

高熱硬性,可維持到

900～1000℃1)優(yōu)點(diǎn)

高耐磨性

高抗壓強(qiáng)度，可達(dá)6000MPa,高于高速鋼

高彈性模量，約為高速鋼的2～3倍

良好的耐蝕性、抗氧化性,熱膨脹系數(shù)小第八章陶瓷材料

抗彎強(qiáng)度低,只有高速鋼的1/3～1/2左右

韌性很差,約為淬火鋼的

30%～50%2)缺點(diǎn)

導(dǎo)熱性差3)加工及裝夾

電加工和切削電火花加工線切割金剛砂輪磨削

裝夾粘結(jié)釬焊機(jī)械裝夾第八章陶瓷材料

2.硬質(zhì)合金的分類、編號(hào)及應(yīng)用1)硬質(zhì)合金分類及編號(hào)(1)

鎢鈷類硬質(zhì)合金(WC+Co)(2)鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金(WC+TiC+Co)(3)通用硬質(zhì)合金(WC+TiC+TaC+NbC+Co)YW×

硬萬順序號(hào)比鎢鈷類:高硬度，耐磨,熱硬性好,強(qiáng)度低熱硬性高，其他介于鎢鈷類和鎢鈷鈦類之間YG××

硬

鈷C:粗顆粒，如YG8CX:細(xì)顆粒，如YG6XA:加少量TaC，如YG6AYT×

硬鈦YT15YW1YW1第八章陶瓷材料第八章陶瓷材料2)硬質(zhì)合金的應(yīng)用冷作模具:冷拔模,冷沖模,冷擠壓模,冷鐓模量具:鑲嵌于易磨損工作面

耐磨零件:機(jī)床頂尖，導(dǎo)板切削刀具鎢鈷類：適于切削脆性材料，如鑄鐵、有色金屬、膠木及其他非金屬材料鎢鈷鈦類：適于切削韌性材料，如各種鋼.通用硬質(zhì)合金（萬能硬質(zhì)合金）：既可切削韌性材料，又可切削脆性材料，如不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼.第八章陶瓷材料硬質(zhì)合金制作的冷沖壓模和冷拉模具THEEND第八章陶瓷材料擠壓型材拉伸模鉆齒回轉(zhuǎn)頂尖第八章陶瓷材料

3.鋼結(jié)硬質(zhì)合金

組成：碳化物（WC,TiC）＋合金鋼(高速鋼）

硬化相

粘結(jié)劑2)特點(diǎn)可機(jī)加工：鍛造，焊接，機(jī)械切削可熱處理鍛造退火后，40～45HRC淬火低溫回火,69～73HRC3)應(yīng)用形狀復(fù)雜的刀具，如麻花鉆、銑刀等較高溫度下工作的模具、耐磨零件等THEEND作為刃具，其壽命與硬質(zhì)合金相當(dāng)，遠(yuǎn)高于合金鋼第八章陶瓷材料陶瓷材料抗拉強(qiáng)度低、抗壓強(qiáng)度高的典型工程應(yīng)用脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔艙短時(shí)耐3000度高溫第二級(jí)點(diǎn)火:燃燒時(shí)隔艙受到反向壓力5106Pa正向壓力，瞬間產(chǎn)生粉碎性破壞，最大碎片尺寸6mm.選擇陶瓷材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)！熔點(diǎn)高；陶瓷材料抗壓不抗拉（抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度1個(gè)數(shù)量級(jí)）第一級(jí)點(diǎn)火：燃燒時(shí)耐2107Pa正向壓力