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1、第十章 陶瓷材料 l工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。良的新型陶瓷。l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金属和高聚物金属和高聚物以外的无机非以外的无机非金属材料通称。金属材料通称。第一节第一节 概述概述l一、陶瓷材料的特点一、陶瓷材料的特点 l1、陶瓷材料的相组、陶瓷材料的相组成特点成特点l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三种不同的相组成，种不同的相组成，即即晶相晶相(1)、玻璃相玻璃相(2)和和气相气相(3)气孔气孔。l料致密度、降料致密度、降低
2、烧结温度和低烧结温度和抑制晶粒长大。抑制晶粒长大。l气相气相是在工艺是在工艺过程中形成并过程中形成并保留下来的。保留下来的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。理化学性质的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材l2、陶瓷材料的结合键特点、陶瓷材料的结合键特点l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键硅化物等，因而其结合键以离子键(如如Al2O3)、共价、共价键键(如如Si3N4
3、)及两者的混合键为主。及两者的混合键为主。共价键共价键离子键离子键l3、陶瓷材料的性能特点、陶瓷材料的性能特点 l陶瓷材料具有高熔点、高陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。特性。l陶瓷材料还具有密度小、陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强弹性模量大、耐磨损、强度高等特点度高等特点。l功能陶瓷还具有电、光、功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。磁等特殊性能。韧韧韧韧性性性性陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷硬硬硬硬度度度度压压压压痕痕痕痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压
4、痕周围的裂纹l4、陶瓷材料的工艺特点、陶瓷材料的工艺特点l陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。l烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。的问题是其存在一定的气孔率。Al2O3粉末的烧结组织粉末的烧结组织ZrO2陶瓷中的气孔陶瓷中的气孔l二、陶瓷材料的分类二、陶瓷材料的分类l1、按化学成分分类、按化学成分分类 l可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物陶瓷
5、陶瓷及及其它化合物陶瓷其它化合物陶瓷。导电玻导电玻璃璃玻璃幕玻璃幕墙墙l2、按使用的原材料分类、按使用的原材料分类 l可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。l普通陶瓷普通陶瓷以天然的岩石、以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。矿石、黏土等材料作原料。l特种陶瓷特种陶瓷采用人工合成的采用人工合成的材料作原料。材料作原料。l3、按性能和用途分类、按性能和用途分类 l可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为结构陶结构陶瓷瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两类。两类。陶瓷零件陶瓷零件第二节第二节 常用工业陶瓷常用工业陶瓷 l一、普通陶瓷一、普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al
6、2O32SiO22H2O)、长石、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。l其组织中主晶相为莫来石其组织中主晶相为莫来石(3Al2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，气相占，气相占13%。l普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。成本低，产量大。l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。建筑、纺织等工业部门。景景德德镇镇瓷瓷器器绝绝缘缘子子二、新型结构陶瓷二、新型结构陶瓷l
7、 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 l氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷以以Al2O3为为主主要要成成分分,含含有有少少量量SiO2的的陶陶瓷瓷，又又称称高高铝陶瓷。铝陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、气动密封、气动陶瓷配件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l根根据据Al2O3含含量量不不同同分分为为75瓷瓷(含含75%Al2O3，又又称称刚玉刚玉-莫来石瓷莫来石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。瓷，后两者又称刚玉瓷。l氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷耐耐高高温温性性能能好好，可可使使用用到到1950,。具具有有良良好好的的电电绝绝缘缘性性能
8、能及及耐耐磨磨性性。微微晶晶刚刚玉玉的的硬硬度度极极高高(仅次于金刚石仅次于金刚石).95瓷纺织件瓷纺织件99瓷纺织件瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴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氧化化铝铝陶陶瓷瓷密密封封环环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚l氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。的导流罩及轴承等。l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面体组成
9、的共四面体组成的共 价键固体。价键固体。l 氮化硅的制备与烧结工艺氮化硅的制备与烧结工艺l工业硅直接氮化：工业硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4l二氧化硅还原氮化：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，能烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状得到复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀密度低，强度低，耐蚀性差性差 热压烧结热压烧结 用较少的助剂就能致密化，用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状，烧只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低结助剂使高温强度降低 l 性能特点及
10、应用性能特点及应用l氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金氮化硅的强度、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；热膨胀系数小；刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为；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。抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。l热压烧结氮化硅热压烧结氮化硅用于形状简单、用于形状简单、精度要求不高的精度要求不高的零件，如切削刀零件，如切削刀具、高温轴承等。具、高温轴承等。Si3N4轴承轴承l反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的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。零件，如机械密封环等。汽轮机转子汽轮机转
11、子叶片气阀等零件叶片气阀等零件l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷l碳化硅是通过键能很高碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。的共价键结合的晶体。l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至加焦碳直接加热至高温还原而成：高温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于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。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l碳化硅的最大特
12、点是高温强度高，有很好的耐磨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，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。仅次于氧化铍陶瓷。SiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。封圈、拉丝成型模具等。SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC轴承轴承l 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷l氧化锆的晶型转变：立方相氧化锆的晶型转变：立方相 四方相四方相 单斜相。四方单斜相。四方相转变
13、为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。易使制品开裂。ZrO2氧氧氧氧化化化化锆锆锆锆单单单单相相相相陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷l在氧化锆中加入某些氧化物在氧化锆中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这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种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力，其力学性能低，抗热冲击性差。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l减少加入的氧化物数量，减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方
14、相的使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。l氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。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。高陶瓷材料的韧性。部分稳定氧化锆组织部分稳定氧化锆组织l部分稳定氧化锆的导热率部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。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制品氧化锆油泵氧化锆油泵氧化柱塞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增韧韧氧氧化化锆锆导导轮轮芯芯轴轴