陶瓷力学性能
陶瓷的力学性能
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化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其
杂而表面能小。因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使。因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。本节主要讨论弹性、硬度、强度因素、环境因素的影响。
能
性模量
脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。与其瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。在室温下的弹性模量。
性模量的影响
距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处弹性模量降低。因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。一般来说，往往具有较高的弹性模量。
与熔点的关系
高低反映其原子间结合力的大小。一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧
挪＜碳化物。
描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松泊松比。
与材料致密度的关系
致密度对其弹性模量影响很大。图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。Fros指出弹性模量与关系
P)
。
气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。
的弹性模量
量决定于原子间结合力．即与原子种类和化学键类型有关，所以弹性模量对显微组织并不敏感．一旦材料种类确定，则通过热处理等是极为有限的--但对由不同组元构成的复合材料的弹性模量来说，由于各组元的弹性模量不同，因而复合材料的弹性模量随各组元的
定律不能准确地描述复合材料的弹性模量，只能粗略地估算。当需要复合材料准确的弹性模量值时，可进行实际测量。
11.7给出Al2O3+SiCw、ZrO2(Y2O3)+SiCw、及Al2O3＋ZrO2(Y2O3)＋SiCw等复合材料的弹性模最随第M相含量的变化情况。允许的情况下，可以通过在一定范围内调整两相比例来获得所需的弹性模量值。
的重要力学性能参数之一，金属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。而陶瓷材料属脆性材料。测定硬度时，在压头压入区域会复合破坏的伪塑性变形。因此，陶瓷材料的硬度很难与其强度直接对应起来。但硬度高、耐磨性好是陶瓷材料的主要优良特性之一。关系，加之在陶瓷材料的力学性能评价中，硬度测定是使用最普遍且数据获得比较容易的评价方法之一，因而占有重要的地位。
测定陶瓷材料硬度的方法最常用的是维氏硬度。
脆硬材料．因而多数情况下底痕的边缘产生破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹、而压痕形状不如金属材料那样规则来困难，所以在试样制备时，其测试表面最后应用金刚石研磨抛光成镜面。维氏硬度测定的同时．根据区痕角部产生裂纹的长度．通裂韧性。因此，维氏硬度测试是一种简单经济、一举多得的方法。
一些常用陶瓷的维氏硬度值。有时陶瓷材料也测量洛氏硬度值HR，洛氏硬度又分为HRA、HRC和HRD。
定大都是采用维氏硬度法和显微硬度法。陶瓷材料的高温硬度测定。同其它高温性能测试相比，所用试样量少，且测定方法简便；另强度有一定对应性，同时通过长时间保持载荷可以显示其蠕变特性，所以高温使区是陶瓷材料使用较普遍的高温性能测试方法。通过以测试陶瓷的高温断裂韧性，但高温硬度对温度的敏感性比强度对温度的敏感性大，即随温度的提高硬度值比强度值下降得快，致使其他方法测得的结果有较大的差异，因此，用压痕法测高温裂韧性时．要对其计算公式加以修正。图11.8给出硬度随温度的变化曲
他性能之间的关系
瓷材料，维氏硬度HV与弹性模量E之间的关系如图11.9所示，大体上呈直线关系，其定量关系式为E/20HV。但此关系只是在常温
升高，硬度的下降比弹性模量的下降明显，所以E／HV值随温度的升高而增加。wu等人试图用维氏硬度法测得的HV／KIC比值作性指标。上述比值并非无量纲也难以赋予确切的物理意义。但硬度在某种意义上表征的是变形抗力．断裂动性表征的是裂纹扩展阻力种程度上可以表示材料的脆性断裂程度。
其他学键所决定、在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因而很难产生塑性变形，所以其破坏方式为脆性断裂。一般陶瓷材料在室如图11.10中1所示，即在断裂前几乎没有塑性变形。因此陶瓷材料室温强度测定只能获得一个断裂强度σf值。而金属材料则可获得
陶瓷材料的室温强度是弹性变形抗力即当弹性变形达到极限程度而发生断裂时的应力。强度与弹性模量和硬度一样，是材料本身的物料的成分组织结构，同时也随外界条件(如温度、应力状态等)的变化而变化。
料的脆性，在绝大多数情况下都是测定其弯曲强度，而很少测定拉伸强度，表11.6给出了一些常见陶瓷材料强度的数据。
的组织因素
身的脆性来自于其化学健的种类。实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子链和共价健为主。多数晶体的结构复杂，平均原子间距大此，同金属材料相比．在室温下发生的滑移几乎没有，位错的滑移很难发生。因此很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产瓷材料脆性的原因所在、也是其强度值分散性较大的原因所在。
料都是用烧结的方法制造的，在晶界上大都存在着气孔、裂纹和玻璃相即非晶相等。而且有时在晶内也存在有气孔、层错、位借等缺定于本身材料外，上述微观组织因素对强度也有显著的影响(即微观组织敏感性)，其中气孔率与晶粒尺寸是两个最重要的影响因素。
强度的影响。气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一，气孔明显地降低了载荷作用横截面积。同时气孔也是引起应力集中的地方。
瓷的强度随气孔束的增加近似按指数规律下降。有关气孔率与温度的关系式有多种提案，其中最常用的经验公式：
P)
孔率；
的强度；
其值在4～7之间．许多试验数据与此式接近。
出AL203陶瓷的弯曲强度和气孔率之间的关系。可以看出试验值与理论值符合较好。由上述可知，为了获得高强度，应制备接近理论料。
对强度的影响。陶瓷材料的强度和晶粒尺寸的关系与金属有类似的规律。
出TiO2陶瓷强度与晶粒尺寸的关系；多晶AL203、MgO和结晶玻璃的粒径与强度之间关系也符合Hall-petch关系式。
度上讲，实验研究已得到了σf与d-1/2关系趋势相一致的结果。
陶瓷来讲，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其他组织参量都相同的试样是非常困难的，因此，往往其它因素与晶粒尺寸同时对强度起陶瓷中的σf与d-1/2的关系并非那么容易搞清，还有待于进一步研究。但无论如何，室温断裂强度无疑地随晶粒尺寸的减小而增高。料来说，努力获得细晶粒组织，对提高室温强度是有利而无害的。
性质与厚度、晶粒形状对强度的影响。陶瓷材料的烧结大都要加入助偏剂，因此形成一定量的低熔点晶界相面促进致密化。晶界相的度)对强度有显著影响。晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以相的数量，并通过热处理使其晶化。对单相多晶陶瓷材料，晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而不易引起应力集充分发挥。
高强度单相多晶陶瓷的显微组织应符合如下要求①晶粒尺寸小，晶体缺陷少，晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处引起应力集中；③尽量减少脆性玻璃柜含量，应能阻止晶内型纹过界扩展，并能松弛裂纹尖端应力集中；④减少气孔率，使其尽量接近理论密度。
合强化。为了提高陶瓷材料的强度，除了要控制上述组织因素外．更常见的是通过复合的办法提高强度．例如自生复相陶瓷棒晶强化弥散强化纤维强化、晶须强化等。在陶瓷的韧化一节中，除微裂纹韧化外．其它的强化方法均有强化效果，这里不再赘述。
度的影响
一个最大的特点就是高温强度比金属高得多。未来汽车用燃气发动机的附温度为1370t这样的工作温度，N、CI、Ch系的超耐热合金4陶瓷却大有希望。
强度当温度T＜DSTm(T为熔点)时．基本保持不变，当温度高于0．5h时才出现明显的降低13I．x一等人提出图11.13所示的强度可惜出，整个曲线可分为三个区域。在低温A区，断裂前无塑性变形．陶房的断裂主要决吁试样内部既存缺陷(裂纹、气孔等周起的断裂，其断裂应力随温度犒变化不大；在中间温度B区，由于断裂前产生塑性变形，因而强度对既存缺陷的敏感t降低，断裂受塑性度的L升而有明显的降低。
步升高时(C区)二维滑移系开动，位错塞积群中的一部分位借产主文B移而沿另外的滑移而继续滑移．松弛了应力集中因而抑制了裂借的z又滑移随温度的升高而变得活跃，由此而产生的对位错塞积群前端应力的松弛作用就区发明显。所以在此区域内，断裂应力有的趋势。图11.13给出的E陶瓷材料的强度随温度变化关系的一般趋势，并非对所有的陶瓷材料都符和很好．也并附有陶瓷材料的A 现。
强度随材料的纯度、微观组织结构因素和表面状态(粗糙度)的变化而变化．因此．即使是同一种材料．由于制备工艺不同。随温度的
出一些陶瓷的强度随温度的变化曲线。根据这些曲线．我们可以确定相立陶瓷材料的最高使用温度。陶瓷的高温强度受加载速率的影速率的提高而提高．这同金属的高温变形抗力与加载速率的关系是类似的。
性
瓷材料在室温下甚至在高的温度范围很难产生塑性变形，因供断裂方式为脆性断裂．所以陶瓷材料的裂纹敏感性很强。基于陶瓷的这学性能是评价陶瓷材料力学性能朝重要指标，同时也是由于这种特性．其断裂行为非常适合于用线弹性断裂力学来描述。最普遍用来断裂力学参数就是断裂韧性(KIC)。
一些陶瓷材料的J断裂韧性值，并附几种常用金属村料的断裂韧性以作对比．可见金属材料的值比陶瓷高一个数量级。要考虑使陶瓷发挥．扩大在实际中的应用，就必须想办法大幅度提高和改善陶瓷的)。
c是描述材料瞬间断裂时的裂纹尖端临界应力场强度因子。在工程上即使在很低的应力下经长时间作用也会使陶瓷材制发生断裂、特循环载荷作用下，会产生低应力疲劳断裂。因此说．陶瓷材料具有延迟断裂的特征。为了描述这种具有时间效应的断裂现象．必须知与其裂纹尖端应力场强度因子用之间的关系。图11.15给出二者之间关系的示意图(KI-v图).
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陶瓷的力学性能
陶瓷的力学性能 陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。 一．弹性性能 1.弹性和弹性模量 陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。与其他固体材料一样。陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。 陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。 2.温度对弹性模量的影响 由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系 物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。 泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
陶瓷材料的力学性能检测方法
陶瓷材料力学性能的检测方法 为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。 1.弯曲强度 弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1-1所示。四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。 图1-1 三点弯曲和四点弯曲示意图 由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M ，该截面对中性轴的惯性矩为I z ，那么距中性轴距离为y 点的应力大小为： z I My = σ 在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为： =??? ? ???= z I y a P max max 21σ???? ?圆形截面 16矩形截面 332D Pa bh Pa π
其中P 为载荷的大小，a 为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b 和h 分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D 为圆形截面试样的直径。因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。 而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为： =??? ? ???= z I y a P l max max 4σ???? ?圆形截面 8矩形截面 2332D Pl bh Pl π 式中l 为两个支点之间的距离（也称为试样的跨度）。 上述的应力计算公式仅适用于线弹性变形阶段。脆性材料一般塑性变形非常小，同弹性变形比较可以忽略不计，因此在断裂前都遵循上述公式。断裂载荷所对应的应力即为试样的弯曲强度。 需要注意的是，一般我们要求试样的长度和直径比约为10，并且在支点的外伸部分留足够的长度，否则可能影响测试精度。另外，弯曲试样下表面的光洁度对结果可能也会产生显著的影响。粗糙表面可能成为应力集中源而产生早期断裂。所以一般要求表面要进行磨抛处理。当采用矩形试样时，也必须注意试样的放置方向，避免使计算中b 、h 换位得到错误的结果。 2.断裂韧性 应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，用应力强度因子（K ）表示。尖端呈张开型（I 型）的裂纹最危险，其应力强度因子用K I 表示，恰好使材料产生脆性断裂的K I 称为临界应力强度因子，用K IC 表示。金属材料的K IC 一般用带边裂纹的三点弯曲实验测定，但在陶瓷材料中由于试样中预制裂纹比较困难，因此人们通常用维氏硬度法来测量陶瓷材料的断裂韧性。 陶瓷等脆性材料在断裂前几乎不产生塑性变形，因此当外界的压力达到断裂应力时，就会产生裂纹。以维氏硬度压头压入这些材料时，在足够大的外力下，压痕的对角线的方向上就会产生裂纹，如图2-1所示。裂纹的扩展长度与材料的断裂韧性K IC 存在一定的关系，因此可以通过测量裂纹的长度来测定K IC 。其突出的优点在于快速、简单、可使用非常小的试样。如果以P C 作为可使压痕产生雷文的临界负荷，那么图中显示了不同负荷下的裂纹情况。 由于硬度法突出的优点，人们对它进行了大量的理论和实验研究。推导出了各种半经
陶瓷力学性能
陶瓷的力学性能 newmaker 化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其 杂而表面能小。因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使。因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。本节主要讨论弹性、硬度、强度因素、环境因素的影响。 能 性模量 脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。与其瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。 变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。在室温下的弹性模量。 性模量的影响 距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处弹性模量降低。因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。一般来说，往往具有较高的弹性模量。
与熔点的关系 高低反映其原子间结合力的大小。一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧
挪＜碳化物。 描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松泊松比。 与材料致密度的关系 致密度对其弹性模量影响很大。图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。Fros指出弹性模量与关系 P) 。 气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。
陶瓷材料的分类及性能
陶瓷材料的力学性能 高分子091 项淼学号17 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能： 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 （可通过热处理改善材料的力学性能） 陶瓷的分类 ※玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 ※陶瓷—普通陶瓷--日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔…… 特种陶瓷--电容器，压电，磁性，电光，高温…… 金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工…… ※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷… 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料） 特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结 3. 陶瓷的性能 (1)硬度是各类材料中最高的。 （高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2) (3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
氧化铝陶瓷材料力学性能的检测
实验二 氧化铝陶瓷材料力学性能的检测 为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。 1.弯曲强度 弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1-1所示。四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。 图1-1 三点弯曲和四点弯曲示意图 由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M ，该截面对 中性轴的惯性矩为I z ，那么距中性轴距离为y 点的应力大小为： z I My =σ 在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为： =???? ???=z I y a P max max 21σ?????圆形截面 16矩形截面 332D Pa bh Pa π 其中P 为载荷的大小，a 为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b 和h 分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D 为圆形截面试样的直径。因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。 而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为：
陶瓷材料的分类及发展前景
陶瓷材料的分类及发展前景 学校: 太原理工大学 学院: 材料科学与工程 专业：无机0801 姓名：孙佩
摘要： 根据陶瓷材料的不同特性及用途对其进行了较为准确的分类，并对各类陶瓷的应用进行了概述。通过对各类陶瓷特性及应用领域的总结，对陶瓷材料未来的发展作出了新的展望，揭示了陶瓷材料的应用方向及发展趋势。 引言 陶瓷材料在人类生活和现代化建设中是不可缺少的一种材料。它是继金属材料，非金属材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的材料之一。它兼有金属材料和高分子材料的共同优点，在不断改性的过程中，已经使它的易碎性有了很大的改善。陶瓷材料以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会发展中将发挥非常重要的作用。陶瓷材料按其性能及用途可分为两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。现代先进陶瓷的性能稳定、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐酸耐碱、耐磨损、抗氧化以及良好的光学性能、声学性能、电磁性能、敏感性等性能远优于金属材料和高分子材料；而且，先进陶瓷是根据所要求的产品性能，经过严格的成分和生产工艺制造出来的高性能材料，因此可用于高温和腐蚀介质的环境当中，是现代材料科学发展最活跃的领域之一。在此，笔者将对先进陶瓷的种类及应用领域做详细的介绍。 1.结构陶瓷 陶瓷材料优异的特性在于高强度、高硬度、高的弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗震性、高导热性能、低膨胀系数、
质轻等特点，因而在很多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料所不可胜任的的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基复合材料。 1.1氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要包括氧化镁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫来石陶瓷，氧化物陶瓷最突出的优点是不存在氧化问题。 氧化铝陶瓷，利用其机械强度较高，绝缘电阻较大的性能，可用作真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。利用其强度和硬度较大的性能，可用作磨料磨具、纺织瓷件、刀具等。 氧化镁陶瓷具有良好的电绝缘性，属于弱碱性物质，几乎不被碱性物质侵蚀，对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力。不少金属如铁、镍、铀、釷、钼、镁、铜、铂等都不与氧化镁作用。因此，氧化镁陶瓷可用作熔炼金属的坩埚，浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。氧化镁在空气中易吸潮水化生成Mg(OH)2，在制造过程中必须注意。为了减少吸潮，应适当提高煅烧温度，增大粒度，也可增加一些添加剂，如TiO2、Al2O3等。 氧化铍陶瓷具有与金属相似的良好的导热系数，约为209.34W/（m.k），可用来做散热器件；氧化铍陶瓷还具有良好的核性能，对中子减速能力强，可用作原子反应堆的减速剂和防辐射材料；另外，
陶瓷材料的应用
一、先进陶瓷材料发展现状 先进陶瓷材料又称精密陶瓷材料，是新材料的一个重要组成部分，广泛应用于通讯、电子、航空、航天、军事等高技术领域，在信息与通讯技术方面有着重要的应用。电子技术、大规模集成技术电路，离不开压电、铁电和磁性陶瓷；电子计算机的记忆系统需要具有方形磁滞回线的铁磁体陶瓷；高速硬盘转动系统需要陶瓷轴承；在火箭和导弹的发射中，鼻锥和透波陶瓷天线罩是关键部件，它要承受高温气流的摩擦和冲刷，要求材料具有高的高温强度和好的抗氧化性能，只有陶瓷材料才能满足这些要求；作为新能源的磁流体发电机，需要采用陶瓷做电极材料；高温燃料电池、高能量蓄电池，需要采用陶瓷块离子导体做隔膜材料等等。目前，先进陶瓷已形成一个巨大的高新技术产业。全世界先进陶瓷产品的销售总额超过300亿美元，并以每年l0％以上的速度增长。美国与日本在该领域处于领先地位。先进陶瓷材料因其优异的高温力学性能及特有的光、声、电、磁、热或功能复合效应在高新技术产业、传统产业改造和国防军工等领域发挥着越来越大的作用。 先进陶瓷今后的重点发展方向是加强工艺-结构-性能的设计与研究，有效地控制工艺过程，使其达到预定的结构（包括薄膜化、纤维化、气孔的含量、非晶态化、晶粒的微细化等），重视粉体标准化、系列化的研究与开发及精密加工技术，降低制造成本，提高制品的重复性、可靠性及使用寿命。 （一）纳米级原料制备技术与纳米陶瓷据国外有关资料统计，2000年后，纳米材料结构器件市场容量约为6375亿美元，纳米材料薄膜器件市场容量为340亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷及其复合材料的市场容量为5457亿美元。目前精细陶瓷用纳米粉体制备方法有三大类：物理制备法、气相法、湿化学法。制备的纳米陶瓷粉体有：Al203、Zr02、Si02、Si3N、SiC、BaTi03、Ti02等。纳米陶瓷的研制，带动了一些新的快速烧结设备的开发，如真空烧结工艺、微波烧结工艺和等离子烧结技术（SPS）等。 （二）先进陶瓷的复合技术与制品取各种材料性能之长，进行组分设计，使新材料具有多种功能，以满足各种工作条件下对材料和制品的要求。 （1）陶瓷基纤维复合材料。利用纤维的柔性来改善结构陶瓷的脆性是行之有效的途径之一。近10年来，用晶须或短纤维来补强陶瓷材料以外的各种连续陶瓷纤维也相继问世。
陶瓷材料的力学性能
第九章陶瓷材料的力学性能 §9-1 陶瓷材料 概况 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能： 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 （可通过热处理改善材料的力学性能） §9-2 陶瓷材料的力学性能 强度（高温、低温、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。 一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂（图9-23） （1）弹性 A）弹性模量大 是金属材料的2倍以上。 ∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。 晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。 B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量 结构不均匀性；缺陷 C）气孔率↑，弹性模量↓ （2）塑性变形 a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动） c）陶瓷的超塑性 超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。 1250℃，3.5×10-2 S-1应变速率ε=400%。 利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接） （3）断裂
陶瓷材料的力学性能
Ti3SiC2高温力学性能的研究 Ti3SiC2同时显示金属和陶瓷独特组合的性质。然而，它的刚度和强度在1050℃以上迅速降低，这是这种材料的高温应用的主要障碍。为了提高Ti3SiC2的高温力学性能，锆，铪，或Nb被掺杂进Ti3(SiAl)C2。在室温时，锆，铪，或Nb掺杂的Ti3SiC2陶瓷与Ti3SiC2陶瓷具有相当的刚度，硬度，强度，和断裂韧性。然而，在高温下(Ti1-xTx)3(SiAl)C2(T=Zr, Hf, or Nb)的刚性和强度显著改善。(Ti1-xTx)3(SiAl)C2可以保持高温刚度和强度达到1200℃，比Ti3SiC2的1050℃高了150℃。 I. Introduction Ti3SiC2是吸引人的层状三元陶瓷Mn+1AXn的一员，其中M是过渡金属，A为IIIA或IVA族元素，X为C或N.其晶体结构可以被描述为通过硅层交错和Ti-C的层和Si层是相对较弱的Ti-C的层之间的结合。由于其独特的晶体结构，Ti3SiC2具有低密度，高弹性模量，耐损伤性在室温下，良好的机械加工性，并能抵抗热冲击和高温氧化。然而，低硬度（维氏硬度约4Gpa），低的耐磨性，和高于1000℃差的高温力学性能限制了它的广泛应用.为了提高机械性能，硬质陶瓷粒子，例如TiC，SiC和氧化铝分别加入钛碳化硅。与单片钛碳化硅相比，这些颗粒增强钛碳化硅基复合材料表现出更高的弹性模量和维氏硬度，以及在室温下提高耐磨损性。然而，这些颗粒增强钛碳化硅复合材料也显示出在1000℃以上强度不满意的机械性能。例如，钛碳化硅-SiC复合材料的强度和刚度高于1000℃迅速下降。 近日，大宗三元铝碳化物在系统中成功地合成和表征。它们的晶体结构可以被描述为通过Al3C2或（铝硅）4C3层交错的Zr-C层。由于过渡金属的碳化物和铝（硅）的碳化物非常保守强共价键合，这些锆的Al（Si）的-C陶瓷在室温下显示出相当高的硬度和刚度。硬度为大约ZrC的一半，但三至四倍该钛碳化硅的，并且弹性刚度为约80％-90％的ZrC那的。最重要的是，Zr-Al系（Si）的-C陶瓷的杨氏模量随温度缓慢降低，并且1600℃弹性刚度保持约80％在室温下的这一点。高度的刚度即保持在升高的温度下赋予它们作为极有希望的候选者用于在高温和超高温环境下的应用。另外，该含铌MAX相如Nb2AlC和Nb4AlC3，陶瓷也显示出了优异的高温机械性能。一般来说，高温刚性的劣化，强度以及蠕变多晶陶瓷的电阻可以由几个原因，包括晶界滑移，晶界的软化，并且位错运动引起的。我们以前的工作已经表明，有在最大相，锆- 铝（Si）的-C和Hf-的Al-C的陶瓷的晶粒边界无非晶相。这些结果已给出一个提示，大尺寸的过渡金属如锆，铪，铌和可在这些碳化物陶瓷的高温力学性能方面发挥关键作用。以前的工作已经证明，掺杂Y，La和Zr的Al2O3增加了Al2O3抗蠕变性通过在晶界处形成强的化学结合的。如含锆，铪，铌的陶瓷具有优异的高温机械性能，预计钛碳化硅与锆，铪，和铌掺杂将增强钛碳化硅的高温机械性能。批准这一假设，在本工作中，我们制备ZR-，HF-Nb-掺杂，并通过原位热压/固- 液反应法，并在室温和高温下测得的机械性能。正如我们将展示在后面的章节中，该ZR-，HF-，以及Nb掺杂TI3（的SiAl）C2的室温机械性能接近TI3（的SiAl）C 2，而高温机械性能大大提高，其中突出了新的途径，在高温下，以改善最大相的机械性能。 I I . Experimental Procedure 锆掺杂的TI3（的SiAl）C 2散装材料具有不同的Zr含量为1，3，5，7，8，和10原子％是由原位热压/固液钛的反应（99％，300制成目），锆（99％200目），硅（99.5％，400目），铝（99.5％，300目），和石墨（99％，200目）的粉末。在所有的样品中，约5原子％的Si，以消除的TiC杂质代替铝。根据目标组合物的混合粉末，在300rpm用无水乙醇和玛瑙球在玛瑙罐的速率匀化在行星式球磨机15小时。然后，将磨碎的粉末进行干燥和热处1560在流动氩气氛下，30兆帕加压1小时，并随后进行退火在14000.5小时。铪-以及Nb掺杂TI3（的
陶瓷材料的分类及性能
陶瓷材料的力学性能 高分子０9１项淼学号17 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键)+范德瓦尔键(次价键) 陶瓷:离子键和共价键。 普通陶瓷,天然粘土为原料,混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料,精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能: 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高,塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物;以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料;立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相,气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 (可通过热处理改善材料的力学性能) 陶瓷的分类 ※玻璃—工业玻璃（光学，电工,仪表，实验室用）;建筑玻璃;日用玻璃 ※陶瓷—普通陶瓷--日用,建筑卫生，电器（绝缘)，化工，多孔…… 特种陶瓷－-电容器，压电,磁性，电光,高温…… 金属陶瓷－-结构陶瓷,工具（硬质合金），耐热，电工…… ※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃,光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃,熔渣玻璃陶瓷… 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备(拣选，破碎,磨细，混合） 普通陶瓷(粘土，石英,长石等天然材料) 特种陶瓷(人工的化学或化工原料－－- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形,注浆成形，压制成形) (３)烧成或烧结 3．陶瓷的性能 （1)硬度是各类材料中最高的。 (高聚物<2０HV，淬火钢5０0－80０HV,陶瓷1０00-500０HV) (2）刚度是各类材料中最高的（塑料1３8０MN/m２，钢2０7００0MN/m2) (3)强度理论强度很高（E/1０--E/５）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。(E/１
常见陶瓷材料性能及运用
４ 科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION １ 前言 ２０世纪后期随着许多新技术（如电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等）的兴起，以及基础理论（如矿物学、冶金学、物理学等）和测试技术（如电子显微镜技术、Ｘ 射线衍射技术和各种频谱仪等）的发展，人们对材料结构和性能之间的关系有了深刻认识。通过控制材料的化学成分和微观组织结构，研制出了许多具有不同性能的陶瓷材料，如各种功能陶瓷（电子材料、光导纤维、敏感陶瓷材料）及高温结构陶瓷。与传统陶瓷材料相比其强度得到了成百上千倍的提高，再加上陶瓷材料本身具备的优异的耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘等特性，使其在许多重要领域得到了越来越广泛的应用。 常用工程陶瓷材料主要包括：金属（过渡金属或与之相近的金属）与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物，以及非金属元素所组成的化合物，如硼和硅的碳化物和氮化物。根据其元素组成的不同可以分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷。此外，近年来玻璃陶瓷作为结构材料也得到了广泛的应用。 ２ 氧化物陶瓷 氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主，存在部分共价键，因此具有许多优良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点，良好的电绝缘性能，特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性，在工程领域已得到了较广泛的应用。 ２．１氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷又称刚玉瓷，一般以α－Ａｌ２Ｏ３ 为主晶相。根据Ａｌ２Ｏ３ 含量和添加剂的不同，有不同系列。如根据Ａｌ２Ｏ３含量不同可分为７５瓷，８５瓷，９５瓷，９９瓷等；根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉－莫来瓷和刚玉瓷；根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。 Ａｌ２Ｏ３陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种；Ａｌ２Ｏ３陶瓷与大多数熔融金属不发生反映，只有Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ和Ｔｉ在一定温度以上对其有还原作用；热的硫酸能溶解Ａｌ２Ｏ３ ，热的ＨＣｌ，ＨＦ对其也有一定腐蚀作用；Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷的蒸汽压和分解压都是最小的。由于Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷优异的化学稳定性，可广泛地用于耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套，输送酸的管 道内衬和阀门等。 氧化铝的含量高于９５％的Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷 具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点，因而在电子、电器方面有十分 广阔的应用领域。 Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷的高硬度和耐磨性在机械 领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨 零件、刀具。 各种发动机中还大量使用Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷 火花塞。 透明Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷对于可见光和红外线 有良好的透过性，同时具有高温强度高、耐热性好、耐腐蚀性强等特点。可用于制造高压钠灯灯管、红外检测窗口材料等。２．２氧化锆（ＺｒＯ２）陶瓷ＺｒＯ２ 有三种同素异形体：立方结构（ｃ相）、四方结构（ｔ相）及单斜结构（ｍ相）。根据所含相的成分不同，ＺｒＯ２陶瓷可分为稳定ＺｒＯ２ 陶瓷材料、部分稳定ＺｒＯ２ 陶瓷。２．２．１稳定ＺｒＯ２ 陶瓷稳定ＺｒＯ２ 陶瓷主要由立方相组成，其耐火度高、比热与导热系数小，是理想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层。稳定ＺｒＯ２ 陶瓷化学稳定性好，高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀，但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族金属元素与其不发生反应，可以用来作为熔炼这些金属的坩埚。纯ＺｒＯ２ 是良好的绝缘体，由于其明显的高温离子导电特性，可作为２０００℃使用的发热元件，高温电极材料，还可用作产生紫外线的灯。此外利用稳定ＺｒＯ２ 的氧离子传导特性，可制成氧气传感器，进行氧浓度的测量。２．２．２部分稳定ＺｒＯ２ 陶瓷部分稳定ＺｒＯ２ 陶瓷由ｔ＋ｃ双相组织组成，具有非常高的强度，断裂韧性和抗热冲击性能，被称为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小，隔热效果好，而热膨胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在目前所研制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。部分稳定ＺｒＯ２ 陶瓷还可作为采矿和矿物工业的无润滑轴承，喷砂设备的喷嘴，粉末冶金工业所用的部件，制药用的冲压模等。另外，部分稳定ＺｒＯ２ 陶瓷还可用作各种高韧性，高强度工业与医用器械。 如纺织工业落筒机用剪刀、羊毛剪，磁带生产中的剪刀，微电子工业用工具，此外由于其不与生物体发生反应，也可用作生物陶瓷材料。２．３ ＭｇＯ陶瓷ＭｇＯ陶瓷的主晶相为ＭｇＯ，属立方晶系氯化钠结构，熔点２８００℃，理论密度３．５８ｇ／ｃｍ３，在高温下比体积电阻高，介质损耗低，介电系数为９．１２，具有良好的电绝缘性，属于弱碱性物质。ＭｇＯ对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力，与镁、镍、铀、钍、铝、钼等不起作用，可用于制备熔炼 金属的坩锅、浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，高温炉的炉衬材料等。３ 氮化物陶瓷氮化物包括非金属和金属元素氮化物，他们是高熔点物质。氮化物陶瓷的 种类很多，但都不是天然矿物，而是人工合成的。目前工业上应用较多的氮化物陶瓷有氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）、氮化硼（ＢＮ）、氮化铝（ＡｌＮ）、氮化钛（ＴｉＮ）等。 ３．１氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）陶瓷Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料的热膨胀系数小，因此具有较好的抗热震性能；在陶瓷材料中，Ｓｉ３Ｎ４ 的弯曲强度比较高，硬度也很高，同时具有自润滑性，摩擦系数小，与加油的金属表明相似，作为机械耐磨 材料使用具有较大的潜力；Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料的常温电阻率比较高，可以作为较好的绝缘材料；Ｓｉ３Ｎ４陶瓷耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被 铅、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀；高温氧化时材料表面形成的氧化硅膜可以阻碍进一步氧化， 抗氧化温度达１８００℃。Ｓｉ３Ｎ４陶瓷可用作热机材料、切削工具、高级耐火材料，还可用作抗腐蚀、耐磨损的密封部件等。３．２氮化铝（ＡｌＮ）陶瓷ＡｌＮ属于共价键化合物，六方晶系，纤维锌矿型结构，白色或灰白色，密度３．２６ｇ／ｃｍ３ ，无熔点，在２２００～２２５０℃ 升华分解，热硬度很高，即使在分解温度前也不软化变形。具有优异的抗热震 常见陶瓷材料性能及运用 高仁金 （闽江学院化学与化学工程系 福建福州 ３５０１０８ ） 摘 要：陶瓷材料因组成元素的不同会产生不同的性能，它作为一种结构材料在各行业得到广泛的应用。关键词：陶瓷 性能 应用