高温结构陶瓷
高温结构陶瓷
摘要：
高温结构陶瓷（high temperature structural ceramics），用于某种装置、或设备、或结构物中，能在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大类。
在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
关键词：高温结构陶瓷膨胀系数生产与应用
高温结构陶瓷的分类主要有以下几种：氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、刚玉、等。
§1.1氮化硅陶瓷
1．1．1 定义与性能
氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料。他是氮和硅的唯一化合物，他有两种变体：α—Si3N4和β—Si3N4,均属六方晶系，在20～1000℃线性膨胀系数为2.75×10-6℃-1。是很好的介电体。具有较高的机械强度，特别是在高温下仍保持一定强度。对酸、水蒸气和许多金属熔体（Al、Pb、Zn、等）的作用都是稳定的。抗氧化能力较强，摩擦系数低，硬度高。
1．1．2 工艺方法
它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及１２００℃的高温下进行初步氮化，使其中一部分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。然后在１３５０℃～１４５０℃的高温炉中进行第二次氮化，反应成氮化硅。用热压烧结法可制得达到理论密度９９％的氮化硅。
反应方程式：3Si+2N2→Si3N4
1．反应烧结生产Si3N4
采用一级结晶硅块，在球磨中湿磨，酒精作研磨介质，磨至小于０.０７ｍｍ。然后净化原料，配料制成坯体。成型方法可采用浇注法、模压法，热压注法或等静压成型方法等。成型时要使素坯密度达到一定要求。
素坯先在氮化炉中进行氮化处理，可采用钼丝电炉或二硅化钼棒电炉。炉膛要密封严紧，以保证抽真空和使用的安全性。硅和氮在约９７０～１０００℃开始反应，并随着温度升高反应速率加快。但如果温度很快上升超过硅熔点时，则坯体会由于硅熔融而坍塌。故必须在远低于熔点的温度中预先氮化。氮化炉内为９５％氮气和５％氢气混合气氛，在１１８０～１２１０℃下氮化１～１?５小时。氮化程度约为９％，炉内垫板为氮化硅质材料。
素烧后的坯体进行机械加工时，要避免与水接触、进刀和车速不宜太快，将坯品加工至成品所需尺寸。
最后进行氮化烧成。氮化温度可采用低于硅熔点（１４２０℃）和高于硅熔点分阶段保温氮化方法。一种是在１２５０℃氮化保温一段时间，使硅颗粒表面生成交织状的α—氮化硅单晶粒，填满坯体中硅颗粒之间的孔隙，整个坯体具有一定强度。然后于１３５０～１４００℃下长时间氮化，通过氮气——固相硅颗粒反应，使原来形成的网络结构的氮化硅继续发育长大、致密。另一种是在１２５０℃氮化保温一段时间后，于１４５０℃氮化保温一段时间，此时硅熔成液体、反应速率很快，生成的氮化硅为硬度、密度较高的颗粒状，分散于低温生成的网络状氮化硅内。
氮化时间：在１２５０℃时氮化４小时，１３５０℃时氮化８小时，氮化程度达５１％，继续在１３５０℃氮化２８小时，氮化程度只增加１０％，在１４５０℃氮化２小时即可完全氮化。通常应为：１２５０℃时氮化４～１０小时，１３５０℃２４～３６小时，１４５０℃６～１２小时。
氮化气氛：由于氮与硅反应为放热反应，氮化初期反应很快，产生的大量热量会使局部温度超过硅的熔点而使其熔融渗出，故升温至１０００℃时，同时通入氩气（占氮气量的２／３），到１３５０℃保温一段时间后停止供氩气，恢复９５％氮气和５％氢气气氛，这样可以用氩气来缓冲过快的反应速度。
反应烧结法制得的氮化硅制品体积密度为１．８～２．７ｇ／ｃｍ３，气孔率较高、强度不高，但适宜制作形状复杂的制品。
2．热压法生产Si3N4
将硅粉于氮化炉中氮化，得到氮化硅后进行粉碎，作为热压用原料。为提高氮化硅粉纯度，可先氮化一次，然后粉碎净化处理。进行二次氮化，细磨，用于热压制品。
将５％左右的ＭｇＯ、镁的化合物或Ｙ２Ｏ３等添加剂加入氮化硅粉中，以酒精作介质，于球磨中充分湿混。热压模为石墨质的，模内壁上涂一层氮化硼粉，将氮化硅混合料装入模内，于１７５０～１８５０℃、压力为２５～５０ＭＰａ的感应加热或辐射中热的热压炉内热压烧结。采用热压法制得的氮化硅制品密度在３．１２～３．２ｇ／ｃｍ３，远高于反应烧结法，强度亦很高。
1．1．3 应用与现状
1．应用
氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）陶瓷因其熔点高，对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性，越来越多被应用于热工各个领域，如可做燃气轮机的燃烧室、机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道及阀门、永久性模具、钢水分离环等。氮化硅摩擦系数小的特点特别适合制作为高温轴承使用，其工作温度可达１２００℃，比普通合金轴承的工作温度提高２.５倍，而工作速度是普通轴承的１０倍。利用氮化硅陶瓷很好的电绝缘性和耐急冷急热性可以用来做电热塞，用它进行汽车点火可使发动机起动时间大大缩短，并能在寒冷天气迅速启动汽车。氮化硅陶瓷还有良好的透微波性能、介电性以及高温强度，作为导弹和飞机的雷达天线罩，可在６个马赫甚至７个马赫的飞行速度下使用等，是一种使用范围广，很有发展潜力的高温结构与耐火材料制品等。
2．研究现状
对于Si3N4以及Sialon陶瓷烧结体，现已提供了一种不用形成复合材料而保持单一状态的、利用超塑性进行成型的工艺，并提供了一种根据该工艺成型出的烧结体。把相对密度在９５％以上、线密度对于烧结体的二维横截面上的５０μm的长度在１２０～２５０范围内的氮化硅及Sialon烧结体；在１３００～１７００℃的温度下通过拉伸或压缩作用使其在小于１０-1／秒的应变速率下发生塑性形变从而进行成型。成型后的烧结体特别在常温下具有优异的机械性能。
§1.2 氮化硼陶瓷
氮化硅陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。
1．2．1定义与性质
1．定义
氮化硼俗称白石墨，特性与石墨相似而质地洁白，存在两种晶型：六方与立方，但通常呈六方结构。在高温与超高压的特殊条件下，可将六方结构晶型转化为立方晶型。粉末由硼、卤化硼或硼酸、硼砂、氧化硼和含氮盐类在氮气或氨气氛中反应合成。氮化硼粉末呈白色、质轻、松散、润滑，易吸潮等性能，但与酸、碱、玻璃及大多数金属不起作用，机械强度高，比石墨略高，但在高温下无负载软化现象，可作机械加工车削，精度可达1％毫米。氮化硼使用范围广泛，其粉末可作优良的润滑剂与脱模剂，而陶瓷可用作熔炼蒸发金属的坩埚、舟皿、液态金属输送管、火箭喷口，大功率器件底座，半导体元件掺杂源，以及各种高温（高压、高频）绝缘散热部件。而立方氮化硼则为近似于金刚石的超硬材料
2．物化性质
（1）理论密度2.27g/cm3，比重2.43，莫氏硬度为2。六方氮化硼是具有良好的电绝缘性，导热性，化学稳定性；无明显熔点，在0.1MPA氮气中3000℃升华，在惰性气体中熔点3000℃，在中性还原气氛中，耐热到2000℃，在氮气和氩中使用温度可达2800℃，在氧气气氛中稳定性较差，使用温度1000℃以下。
六方氮化硼的膨胀系数相当于石英，但导热率却为石英的十倍。六方氮化硼不溶冷水，水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的硼酸和氮；与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用溶融的氢氧化钠，氢氧化钾处理才能分解。（2）氮化硼的各项性能指标
a.高耐热性3000℃升华，其强度1800℃为室温的2倍，1500℃空冷至室温数十次
不破裂，在惰性气体中2800℃不软化。
b.高导热系数热压制品为33W/M.K和纯铁一样，在530℃以上是陶瓷材料中导热
最大的材料
c.低热膨胀系数2×10-6的膨胀系数仅次于石英玻璃，是陶瓷中最小的，加上其具
有高导热，所以抗热震性能很好。
d.优良的电性能高温绝缘性好，25℃为1014Ω—CM，2000℃还可达到103Ω—CM，
是陶瓷中最好的高温绝缘材料，击穿电压3KV/MM，低介电损耗108HZ时为
2.5×10-4，介电常数为4，可透微波和红外线。
e.良好的耐腐蚀性与一般金属（铁、铜、铝、铅等）、稀土金属，贵重多属，半导
体材料（锗、硅、砷化钾），玻璃，熔盐（水晶石、氟化物、炉渣）、无机酸、碱不反应。
f.低的摩擦系数u为0.16，高温下不增大，比二硫化钼，石墨耐温高，氧化气氛可
用到900℃，真空下可用到2000℃。
g.高纯度含B高其杂质含量小于10PPM，而含B大于43.6%。
h.可机械加工性其硬度为莫氏2，所以可用一般机械加工方法加工成精度很高的零
部件制品。
1．2．2工艺制法
1、氮化硼粉料合成方法氮化硼粉料合成方法现在已有十多种，但能够实现工业化生产的方法主要有以下3种。
（1）、硼砂一一氮化铵法。此种方法首先将硼砂置于真空中在200-400℃下脱水，引入氮化铵溶解成饱和溶液，再经过过滤除去杂质再结果，可以重复进行。然后将上述原料粉碎、干燥，以硼砂和氯化铵按7：3（重量比）混合，压制成坯块，在反应炉中合成。反应温度为900-1000℃，保温6个小时。在反应时通入NH3以弥补反应物自身形成时氮气量的不足。其主要反应式为：Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O, 反应产物用水浸洗除去剩余硼酸、氯化钠等杂质，干燥、粉碎，即可获得氮化硼粉料，其纯度可达97％。
（2）、硼砂一一尿素法。将硼砂脱水干燥、粉碎，将尿素提纯干燥、粉碎。硼砂与尿素应按照1：15-2的比例均匀混合后，放置于石英玻璃、刚玉、石墨或不锈钢容器中，放入反应炉中，升温至100℃时，保温30分钟，在140℃时保温2，在180℃时保温2小时，800℃时保温2小时，在最终温度800-1000℃时保温2-4小时，当温度处于300℃以下时，先通入氮气，在300℃以上时改通入氨气。主要化学反应为：Na2B4O7+2CO(NH2)2→4BN+Na2O+4H2O+2CO2↑ 反应生成的产物用盐酸酸洗，除去其中的Na2O，然后水洗去Cl-离子，再用酒精醇洗去H3BO3，用水与酒精反复处理后干燥，即获得氮化硼粉（含BN95%）。
（3）、硼矸法。以硼矸为主要原料，磷酸三钙为填料，两者混合比例为5：3，干法混合，加入水成糊状，进行造粒，在80℃以下干燥。将混合料放入石英管或刚玉管状电炉中进行氮化反应。炉体要稍倾斜，以利排水。反应温度为900-1000℃，保温6小时，通入NH3气体。主要反应式为：B2O3+2NH3→2BN+3H2O 反应产物使用3％盐酸酸洗16小时，以除去Ca3(PO4)2及H3BO3，再用25％盐酸酸洗3小时，然后水洗去HCl。在180℃以下干燥，用酒精进行醇洗，去除H3BO3，最后干燥，即获得BN。
2、制造氮化硼制品制造氮化硼制品的方法有冷压烧结法和热压烧结法。这里介绍一下热压烧结法。首先将颗粒度小于5微米的氮化硼细粉与少量添加物混合均匀，先在等静压机中预压一次，压力为100-150MPa，然后破碎成小于0.5毫米的料，装入石墨模中，于碳管加热的热压炉中加热加压，最高温度1600-1900 ℃，压力为20-25MPa，保温几分钟到1小时，冷却后机械加工即成。这时应当指出，料中B2O3的存在与否对制品性能影响很大，B2O3不存在时制品难以获得高致密度，但抗水性好。当B2O3存在时，制品容易致密，但对水的稳定性差。所以，对于不含有B2O3的纯氮化硼料（难以热烧结），要加入适量结合剂，如B2O
3、磷酸硼或等CaO-B2O3-Al2O3等，以促进烧结又不影响制品的稳定性；而对于含B2O3较高的氮化硼粉料，要中入适量稳定剂，如Al、AlN、CaO-Al2O3、SiO2等；或者对于含B2O3热压后的氮化硼制品，在真空或氩、氮气气氛中高温处理，使B2O3挥发掉。加入物对BN烧结性和稳定性的影响，见表。
加入物对BN烧结性和稳定性的影响
1．2．3 用途与前景
采用热压法制成的氮化硼制品，在N2或Ar气氛中最高使用温度高达2800℃，而无明显熔点，在0.1MPaN2中3000℃升华。但在氧化气氛中稳定性差，使用温度仅在900℃以下。氮化硼制品膨胀系数低，导热率高，热震稳定性优良，同时是很好的绝缘体。氮化硼还具有诸多特殊的性能，仅在耐火材料使用方面可用作高温热电偶保护管，熔炼金属的器皿及宇宙航行中热屏蔽材料等。总之，氮化硼制品在未来高科技产品开发方面显示出广阔的前景。
§1.3 氧化锆陶瓷
二氧化锆陶瓷，ZrO2陶瓷（Zirconia Ceramic）
纯ZrO2为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般含有HfO2，不易分离。世界上已探明的锆资源约为1900万吨，氧化锆通常是由锆矿石提纯制得。
1．3．1种类与特点
1．种类
在常压下纯ZrO2共有三种晶态：单斜（Monoclinic）氧化锆（m-ZrO2）、四方（Tetragonal）氧化锆（t-ZrO2）和立方（Cubic）氧化锆（c-ZrO2），上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以相互转化：
上述三种晶态具有不同的理化特性，在实际应用为获得所需要的晶形和使用性能，通常加入不同类型的稳定剂制成不同类型的氧化锆陶瓷，如部分稳定氧化锆(partially stabilized zirconia，PSZ)，当稳定剂为CaO、MgO、Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ、Mg-PSZ、Y-PSZ等。由亚稳的t- ZrO2组成的四方氧化锆称之为四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP)。当加入的稳定剂是Y2O3 、CeO2，则分别表示为Y-TZP、Ce-TZP等。
1．3．2工艺制法
氧化锆陶瓷的配方组成：ZrO289%、Y2O310.1%、SiO20.5%、Al2O30.4%
按配方组成配料细磨，采用压制成型和注浆成型纸之坯烘干后入窑烧成制品。
氧化锆陶瓷配料的化学组成，因使用的原料均为高纯原料与配料组成一样。
1．氧化锆粉体的制备
氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体，氧化锆超细粉末的制备方法很多，氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等。粉体加工方法有共沉淀法、溶胶一凝胶法、蒸发法、超临界合成法、微乳液法、水热合成法网及气相沉积法等。
2．氧化锆陶瓷的成型
氧化锆陶瓷的成型有干压成型、等静压成型、注浆成型、热压铸成型、流延成型、注射成型、塑性挤压成型、胶态凝固成型等。
3．氧化铬陶瓷的烧结
氧化锆陶瓷可采用的烧结方法通常有: (1)无压烧结，(2)热压烧结和反应热压烧结，(3)热等静压烧结(HIP)，(4)微波烧结，(5)超高压烧结，(6)放电等离子体烧结(SPS)，(7)原位加压成型烧结等。
1．3．3氧化锆陶瓷的应用
在结构陶瓷方面，由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。主要有:Y-TZP磨球、分散
和研磨介质、喷嘴、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、表壳及表带、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温耐磨零器件等。
在功能陶瓷方面，其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性能参数，主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料电池(SolidO xideFu elCe ll,SO FC)和高温发热体等领域。Zr02具有较高的折射率(N-21^22)，在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素(V205, Mo03, Fe203等)，可将它制成多彩的半透明多晶Zr02材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多彩的光芒，可制成各种装饰品。另外，氧化锆在热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、纺织等领域正得到广泛应用。
§1.4 氧化铝陶瓷（刚玉瓷）
1．4．1定义
刚玉(CorundumКорунд)，名称源于印度，系矿物学名称，主要成分是Al2O3。刚玉Al2O3的同质异像主要有三种变体，分别为α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。刚玉硬度仅次于金刚石.主要用于高级研磨材料.手表和精密机械的轴承材料，色彩绚丽的晶体作为宝石.作为激光发射材料的红宝石系人造晶体。红宝石和蓝宝石都属于刚玉矿物，除星光效应外，只有半透明-透明且色彩鲜艳的刚玉才能做宝石。红色的称为红宝石，而其他色调的刚玉在商业上统称蓝宝石。
1．4．2简介
刚玉(Corundum)名称源于印度，系矿物学名称，宝石学上具备宝石条件的称红宝石(Ruby)、蓝宝石(Sapphire)。刚玉Al2O3的同质异像主要有三种变体，分别为α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、，根据X衍射分析确还有η-Al2O3(等轴晶系)、ρ-Al2O3(晶系不确定)、χ-Al2O3(六方晶系)、κ-Al2O3(六方晶系)、δ-Al2O3(四方晶系)、θ-Al2O3(单斜晶系[1])。刚玉颜色多种，有无色、白、金黄(色素离子Ni、Cr)、黄(色素离子Ni)、红(色素离子Cr)、蓝(色素离子Ti、Fe)、绿（色素离子Co、Ni、V）、紫(Ti、Fe、Cr)、棕、黑(色素离子Fe、Fe)、白炽灯下蓝紫、日光灯下红紫效应(色素离子V)。
刚玉是一种由氧化铝(Al2O3)的结晶形成的宝石。掺有金属铬的刚玉颜色鲜红，一般称之为红宝石；而蓝色或没有色的刚玉，普遍都会被归入蓝宝石的类别。
刚玉在摩氏硬度表中位列第9级。比重为4.00，有六角柱体的晶格结构。因着刚玉的硬度，和相对比钻石更低廉的价钱，它成为了砂纸及研磨工具的好材料。
刚玉有玻璃光泽，硬度9。比重395-410。在高温富铝贫硅C的条件下形成，主要与岩浆作用、接触变质及区域变质作用有关。
刚玉是铝矾土为主要原料经矿业炉炼出的人造材料，可做磨料和耐火材料。纯度较高的为白色叫白刚玉，含有少量杂质的为棕色叫棕刚玉。1．4．3工艺制法
1. 配方：高铝瓷95瓷、99瓷配方组成（%）
95瓷：Al
2O
3
95%、高岭土3%、滑石2%
99瓷：Al
2O
3
99%、高岭土0.75%、MgCO
3
0.25%
按配方配料细磨加工后，采用注浆法或热压铸法成型，烧结后即为制品。
氧化铝瓷主要成分是Al
2O
3 .
2．流程
外加剂的加工是把高岭土、滑石、MgCO3单独湿法细磨，细度控制在325目一下，脱水烘干使用。若采用注浆成型可将其直接加入（见P940）
1．4．4性质与用途
1．性质
2．用途
总结
陶瓷的分类及性能
陶瓷材料的力学性能 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MN/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。 2 （E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 (4)塑性：在室温几乎没有塑性。 (5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。 (6) 热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K） (7)热稳定性 — 抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷 220 ℃） (8)化学稳定性 ：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐） (9) 导电性 — 大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（ NiO ， Fe3O4 等） (10) 其它： 不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。 普通陶瓷
超高温陶瓷复合材料的研究进展
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 超高温陶瓷复合材料的研究进展 超高温陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮 化物，它们的熔点均在3000℃以上。在这些超高温陶瓷中，ZrB2 和HfB2 基超高温陶瓷复合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀 性能，可以在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀，是一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。 超高温陶瓷复合材料的制备 超高温陶瓷复合材料的致密化主要有热压烧结(HP)、放电等离子烧结(SPS)、反应热压烧结((RHP)和无压烧结(PS)。在这些制备方法中，热压烧结是目前超 高温陶瓷复合材料最主要的烧结方法。 热压烧结 ZrB2 和HfB2 都是ALB2 型的六方晶系结构，其强共价键、低晶界及体扩散 速率的特征，导致该类材料需要在非常高的温度下才能致密化，一般需要2100 ℃或更高的温度和适中的压力(20-30 MPa)或较低温度(~1800℃)及极高压力( 800 MPa)。ZrB2 和HfB2 结构和性能相近，后者的熔点比前者高，需要更高的致密化温度，同时具有更优异的高温性能，而前者的密度和成本都比后者 低，也是业内关注最多的。 放电等离子烧结 放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通人脉冲电流进行加热烧结，具有升温 速度快、烧结时间短、组织结构可控等优点，该方法近年来用于超高温陶瓷复 合材料的制备。产生的脉冲电流在粉体颗粒之间会发生放电，使其颗粒接触部 位温度非常高，在烧结初期可以净化颗粒的表面，同时产生各种颗粒表面缺 陷，改善晶界的扩散和材料的传质，从而促进致密化，相对于热压烧结超高温
高性能陶瓷材料的研究与应用
高性能陶瓷材料的研究与应用 李 婷 (湖北武汉风神汽车修理厂 武汉 430055) 摘 要 高性能陶瓷材料是具有特殊优越性能的新型材料,各国在基础与应用研究以及工程化方面,均给予了特殊重视,特别是在信息、国防、现代交通与能源产业中均将其置于重要地位。根据高性能陶瓷材料的应用前景,笔者介绍了高性能陶瓷新材料的性能、应用范围,市场的开发应用现状和开发应用新领域,以及正在研发的高性能陶瓷材料;同时介绍了高性能陶瓷材料的发展趋势。 关键词 陶瓷材料 应用范围 发展趋势 1 高性能陶瓷材料的应用前景 高性能陶瓷是新材料的一个组成部分,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料,在国防现代化建设中,武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。随着我国国民经济的高速发展,工业技术水平的不断提高,人民生活的不断改善以及国防现代化的需要,迫切地需要大量的特种陶瓷产品,市场前景十分广阔。石油化工行业需要大量的耐磨耐腐蚀的陶瓷部件,如球阀、缸套等。纺织行业需要大量的耐磨陶瓷件,如陶瓷剪刀、导丝轮等。国防工业需要的具有特殊性能的陶瓷材料,如防弹装甲陶瓷,耐射照高温轻质隔热材料,航空航天用的反射镜陶瓷材料,激光器用的聚光腔陶瓷材料,红外吸收、红外发射。 高性能陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷,有的还分为陶瓷涂层及陶瓷复合材料等。结构陶瓷主要是利用其耐高温、高强度、耐磨的性能,应用于热机部件、耐磨部件,如刀具、轴承、密封环、阀门等热交换器,防弹材料及生物陶瓷等。主要材料有Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3、SiALON等。 高性能陶瓷材料已经在很多领域,特别是诸多高技术领域获得关键性的应用,在航空航天、国防及民用等高技术领域具有广泛且不可替代的作用,高性能陶瓷材料每年以7%～10%的速度发展。功能陶瓷主要是利用其上述功能特性,广泛应用于国防、航空航天、机械、化工、建筑等领域的绝缘子,集成电路的基片、电容器、压电和铁电及敏感元件等,已成为四大类材料(金属、陶瓷、高分子和复合材料)之一。主要的材料有Ba TiO3、ZnO、Ph)O3、A IN、ZrO2等。陶瓷粉料是发展高性能陶瓷的基础材料,是高性能陶瓷的重要组成部分,对特种陶瓷的发展起着十分重要的作用。 2 高性能陶瓷材料的性能特点 一般高温陶瓷材料的预期使用温度在1400℃～1500℃,而超高温材料是指能在1800℃以上使用的材料,主要包括过渡金属(Ti、Zr、Ta等)的硼化物、碳化物以及近年出现的Si-B-C-N超高温陶瓷材料等,还包括碳(石墨)和氮化硼等。这类材料的主要特点是超高温熔点、超高温稳定、超高温耐腐蚀性,应用于国防、航天、超高温电极、超高温耐腐蚀容器或保护器(与熔融金属接触),超高温涂层等。近年来,对Si -B-C-N超高温陶瓷材料的研究发展很快,制备工艺主要是采用有机前驱体法,对超高温稳定化机理的研究主要集中在硼的作用上。目前正在探索其作为超高温涂层材料方面的应用,有机前驱体法工艺复杂,操作严格,成本高,对超高温稳定化机理还缺乏深层的理解。因此,探索和开发新的制备技术,深入探讨超高温稳定化机理,探索和设计其他超高温材料系统(包括化
陶瓷窑炉的分类
陶瓷窑炉的分类及特点 一、陶瓷窑炉分类 1、按构造型式分：梭式窑、隧道窑、辊道窑、推板窑、圆型（转盘窑）、钟罩窑 2、按供热方式分：煤窑、柴窑、电窑、燃气窑。煤窑、柴窑已被淘汰，清洁能源窑炉（电、燃气）已走向成熟阶段。 3、按烧成温度分：高温窑、中温窑、低温窑。 二、陶瓷窑炉介绍 1、梭式窑：是间歇烧成的窑，跟火柴盒的结构类似，窑车推进窑内烧成，烧完了再拉出来，卸下烧好的陶瓷。窑车如同梭子，故而称为梭式窑。 2、隧道窑：一般是一条长的直线形隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车。燃烧设备设在隧道窑的中部两侧，构成了固定的高温带，烧成带，燃烧产生的高温烟气在隧道窑前端烟囱或引风机的作用下，沿着隧道向窑头方向流动，同时逐步地预热进入窑内的制品，这一段构成了隧道窑的预热带。在隧道窑的窑尾鼓入冷风，冷却隧道窑内后一段的制品，鼓入的冷风流经制品而被加热后，再抽出送入干燥器作为干燥生坯的热源，这一段便构成了隧道窑的冷却带。 3、辊道窑：辊道窑是连续烧成的窑，以转动的辊子作为坯体运载工具的隧道窑。陶瓷产品放置在许多条间隔很密的水平耐火辊上，靠辊子的转动使陶瓷从窑头传送到窑尾，故而称为辊道窑。 4、倒焰窑：燃烧所产生的火焰都从燃烧室的喷火口上行至窑顶，由于窑顶是密封的，火焰不能继续上行，在走投无路的情况下，就被烟囱的抽力拉向下行，经过匣钵柱的间隙，自窑底吸火孔进支烟道，主烟道，最后由烟囱排出。 5、推板窑：又称推板式隧道窑，是一种连续式加热烧结设备，按照烧结产品的工艺要求，布置所需的温区及功率，组成设备的热工部分，满足产品对热量的需求。把烧结产品直接或间接放在耐高温、耐磨擦的推板上，由推进系统按照产品的工艺要求对放置在推板上产品进行移动，在炉膛中完成产品的烧结过程。 三、陶瓷窑炉选择 1、对于日产量在20M3以下，且产品种类较多，烧成温度各异，由于其本身产量难以满足隧道窑的生产量，推荐采用快速烧成梭式窑。 2、对于日产量等于或大于20M3，但其釉色复杂，如窑变结晶釉需一定的恒温及冷却时间，可采用传统梭式窑或电热梭式窑；如果窑变釉或结晶釉只是部分，可以选用快速窑，快速窑不是只快，也可以放慢。慢，温差可控制很小。但慢的节能效果差。 3、对产量较大、高度较高、重量较重、温度较高、釉色单一，可选用台车式隧道窑。如高温日用陶瓷，卫浴陶瓷。 4、对温度在1300℃以内，产量较大的艺术陶瓷、日用陶瓷、卫浴陶瓷，建议采用辊道窑，或大型快速梭式窑。
超高温陶瓷的研究进展_郭强强
·综述· 收稿日期：2015－05－20 作者简介：郭强强，1989年出生，硕士，主要从事超高温陶瓷材料的研究工作。E －mail ：qqguo@outlook．com 超高温陶瓷的研究进展 郭强强 冯志海周延春 （航天材料及工艺研究所，先进功能复合材料技术重点实验室，北京100076） 文 摘 超高温陶瓷在极端环境中能够保持稳定的物理和化学性质，被认为是高超声速飞行器和大气层 再入飞行器鼻锥和前缘最有前途的候选热防护材料。本文系统评述了超高温陶瓷（主要是过渡金属硼化物、碳化物和氮化物）在粉体合成、致密化、力学性能等方面的研究进展。对超高温陶瓷研究中存在的一些问题作出初步总结，希望对超高温陶瓷的进一步研究和应用起到积极的推动作用。 关键词 超高温陶瓷，粉体合成，致密化，力学性能 中图分类号：TB3DOI ：10．3969/j．issn．1007－2330．2015．05．001Progress on Ultra-High Temperature Ceramics GUO Qiangqiang FENG Zhihai ZHOU Yanchun （Science and Technology of Advanced Functional Composite Materials Laboratory ，Aerospace Ｒesearch Institute of Materials ＆Processing Technology ，Beijing 100076） Abstract Ultra-high temperature ceramics （UHTCs ）are regarded as the most promising thermal protective ma- terials for the nose and leading edge of hypersonic or re-entry vehicles due to their stability of physical and chemical properties in extreme environment．The progress on UHTCs is reviewed in detail ，including powder synthesis ，densifi-cation and mechanical properties．Also ，some problems exist in the material studies are preliminarily summarized．It is expected that this review will provide some guidance for stimulating further research and practical applications of the UHTCs． Key words Ultra-high temperature ceramics ，Powder synthesis ，Densification ，Mechanical property 引言 超高温陶瓷（UHTCs ）通常指熔点超过3000?，并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的一类 特殊陶瓷材料，通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。极端环境一般指高温、反应气氛（如原子氧，等离子体等）、机械载荷和磨损等组成的综合环境。随着航空航天技术的迅猛发展和实现空天一体化的迫切需要，高超声速飞行器是近年来许多国家航空航天部门发展的重点领域。在长时间高超声速巡航、跨大气层飞行和大气层再入等极端环境下，飞行器机翼前缘和鼻锥等关键部件在飞行过程中与大气剧烈摩擦，产生极高的温度。如Falcon 计划 中机翼前缘的驻点区域温度可以超过2000?［1］，此 外火箭喷嘴口、吸气增强推进系统和发动机进气道在 飞行过程中也要承受高热载荷和机械载荷。目前，极少材料能够在如此剧烈的氧化对流环境中保持结构和尺寸的完整性。因此，如何设计和制备有着良好的抗氧化性、抗烧蚀性、抗热震性并保持一定高温强度的超高温热防护材料成为新型空天飞行器亟待解决的重要技术问题。 目前有望在1800?以上温度使用的材料一般有 难熔金属材料、陶瓷基复合材料、C /C 复合材料等。难熔金属材料密度高、加工性能和抗氧化性差，不适合作为高超声速飞行器鼻锥和前缘等部位的热防护 材料。C /C 复合材料是一种良好的结构/功能一体化材料，已成功用于制造导弹的弹头部件、航天飞机防
超高温陶瓷
超高温陶瓷 材料科学杂志39(2004)5979 – 5985 硅基陶瓷和复合材料在高氧压力下的燃烧阻力 美国宇航局格伦研究中心/凯斯西储大学，克利夫兰， 俄亥俄州44135，美国 E-mail: Ali.Sayir@https://www.360docs.net/doc/7d9397489.html, F . S .劳维利 美国宇航局太空飞行中心，FC，35812，美国 陶瓷基复合材料在高氧压力下的耐燃烧性预计会对富氧推进系统的发展提供一些信息。与金属相比，硅基陶瓷，碳化硅，氮化硅和碳化硅复合材料都有共价键的特点，不同的是它们能促进燃烧。这些材料分解的温度很高，而不是通过离散固液相变（熔化）。硅基陶瓷和复合材料在很高的氧气压力和临界阈值压力，在此临界压力下没有试样能维持燃烧组成，粘接的性质和氧的溶解度。2004年Kluwer学术出版社 1介绍 当把凝聚相材料，液体或固体，按计划放到富氧环境中时，可燃混合物就形成了。如果这种混合物被点燃，火焰就会包围凝聚相燃烧。理解和控制使用这一物理现象称为燃烧，它对人类日常生活以及各种技术，如能源转换，冶金，自然，航空和航天工业的应用有重大意义。在给定的温度和压力下，物质与氧气和潜在火源安全共存的能力对材料在推进系统中的选择范围是至关重要的。 大多数航空航天系统的结构组成部分都是金属合金，许多研究，特别是对高压系统的研究，一直致力于金属和金属合金的氧燃烧。当氧气从周围移动到燃烧前锋面时，材料与金属的粘接特性可以使之充当燃料，通过表面蒸发和扩散运动到火焰前锋面。这种对凝聚相燃烧的说明是最容易的，通常适用于发生气相反应后被称为均匀燃烧的滴烧。格拉斯曼[ 1]，在他的开创性工作中对金属液滴的气相燃烧作出了一些充分的解释，但不全是基于实验事实。热化学预测对阐明在高温高压下过渡态金属的反应途径是不可用的。多元合金进一步的并发症出现了，图[ 1，2 ]已经表明燃烧性对间歇性的成分变化很敏感。陶瓷基复合材料有着比金属明显低的密度并且在高温下也能提供足够的强度和韧性，这使得它们成为航空航天结构应用中的理想选择。除了这些事实，陶瓷基复合材料在很高氧气压力下的燃烧特性还没有被提前研究，这一发现表明本研究集中在陶瓷基复合材料的固相燃烧特性上。在这一研究中，有几个因素影响着特定复合机陶瓷材料的选择。第一，单片碳化硅，氮化硅以及碳化硅复合材料由于有提高性能和降低重量的能力，因此都是先进推进系统的潜在候选者。第二，碳化硅或碳化硅复合材料和单片氮化硅的初步氧相容性结果分别表现出了温和和良好的抗氧化性。第三，目前，碳化硅或碳化硅复合材料在其领域是最成熟的结构材料。最后，两者都是现成的商业材料。 2．实验的
陶瓷材料显微结构与性能
1陶瓷烧结过程中影响气孔形成的因素有哪些？ (1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的水碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内气氛的扩散 (4) 煅烧时温度过高，升温过快或窑内 气氛不合适等。 夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？ 参考答案：(1) 原料组成、粒度、配比、混料工艺等 (2) 成型方式、成型条件、制品形状等 (3)干燥制度（干燥方式、温度制度、气氛条件、压力条件等） (4) 烧成制度（烧成方式、窑炉结构、温度制度、气氛条件、压力条 件等） 3. 提高陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？ 参考答案：a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷。例如，采用热等静压烧结制成 的Si 3N 4 气孔率极低，其强度接近理论值。 b.在陶瓷表面引入压应力可提高材料的强度。钢化玻璃是成功应用这 一方法的典型例子。 c.消除表面缺陷，可有效地提高材料的实际强度。 d.复合强化。采用碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有 效地改善材料的强韧性。 e.ZrO 2与增韧。ZrO 2 对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、 裂纹偏转增韧、表面残余应力增韧）罗念 4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常用的烧结方法。 ①晶粒大小。当晶粒尺寸大于临界尺寸易于相变。若晶粒尺寸太小，相变也就难以进行。 ②添加剂及其含量使用不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒大小、范围也不同。 ③晶粒取向。晶粒取向的不同而影响相变导致增韧的机制。 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、高电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。烧结方法：反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、气氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。——李成5.气孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的气孔量的措施？ 气孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作用，影响了铁电铁磁性。另外，少量气孔亦会严重降低透光性。添加物的引入不仅可阻止二次重结晶，亦可以使气孔由晶界排出。为了降低功能陶瓷中的气孔量，可采用通氧烧结，成型时增大粒子流动性提高生坯密度，研究玻璃相对主晶相的润湿等措施。韦珍海6.瓷轴基本上是一层玻璃体，但从显微结构的角度来看，它可以分成几大类釉层并举例说明其中一种的釉层特点？ 参考答案：釉层可为三大类：玻璃釉、析晶釉（或称结晶轴）和分相釉.以玻璃釉为例，玻璃釉一般是无色透明的，由硅酸盐玻璃所组成。釉层除了多少有些釉
地砖种类及优缺点
地砖一般可分为：抛光砖、玻化砖、釉面砖、马赛克等 一、釉面砖 1、顾名思义，釉面砖就是砖的表面经过烧釉处理的砖。它基于原材料的分别，可分为两种：1) 陶制釉面砖，即由陶土烧制而成，吸水率较高，强度相对较低。其主要特征是背面颜色为红色。 2) 瓷制釉面砖，即由瓷土烧制而成，吸水率较低，强度相对较高。其主要特征是背面颜色是灰白色。 要注意的是，上面所说的吸水率和强度的比较都是相对的，目前也有一些陶制釉面砖的吸水率和强度比瓷制釉面砖好的。 2、釉面砖的釉面根据光泽的不同，还可以分为下面两种： 1) 亮光釉面砖。适合于制造"干净"的效果。 2) 哑光釉面砖。适合于制造"时尚"的效果。 3、常见问题 釉面砖是装修中最常见的砖种，由于色彩图案丰富，而且防污能力强，被广泛使用于墙面和地面之中，常见的质量问题主要有两方面： 1) 龟裂 龟裂产生的根本原因是坯与釉层间的应力超出了坯釉间的热膨胀系数之差。当釉面比坯的热膨胀系数大，冷却时釉的收缩大于坯体，釉会受拉伸应力，当拉伸应力大于釉层所能承受的极限强度时，就会产生龟裂现象。 2) 背渗 不管那一种砖，吸水都是自然的，但当坯体密度过于疏松时，就不仅是吸水的问题了，而是渗水泥的问题。即水泥的污水会渗透到表面。 4、常用规格 正方形釉面砖有152×152mm、200×200mm、长方形釉面砖有152× 200mm、200×300mm等，常用的釉面砖厚度5mm及6mm。 二、通体砖 通体砖的表面不上釉，而且正面和反面的材质和色泽一致，因此得 名。 通体砖是一种耐磨砖，虽然现在还有渗花通体砖等品种，但相对来说， 其花色比不上釉面砖。由于目前的室内设计越来越倾向于素色设计，所以 通体砖也越来越成为一种时尚，被广泛使用于厅堂、过道和室外走道等装 修项目的地面，一般较少会使用于墙面，而多数的防滑砖都属于通体砖。 通体砖常有的规格有300x300mm、400x400mm、500x500mm、600x600mm、 800x800mm等等。 三、抛光砖 抛光砖就是通体坯体的表面经过打磨而成的一种光亮的砖种。抛光砖属于通体砖的一种。相对于通体砖的平面粗糙而言，抛光砖就要光洁多了。抛光砖性质坚硬耐磨，适合在除洗手间、厨房和室内环境以外的多数室内空间中使用。在运用渗花技术的基础上，抛光砖可以做出各种仿石、仿木效果。 也许是业内的大意，也许是业内的故意，抛光砖却留下了一个致命的缺点：易脏。这是抛光砖在抛光时留下的凹凸气孔造成的，这些气孔会藏污纳垢，以致抛光砖谈污色变，甚至一些茶水倒在抛光砖上都回天无力。
超高温陶瓷及其应用
超高温陶瓷及其应用讲座小结 超高温陶瓷（UHTCs：Ultra High Temperature Ceramics）是指能在1800℃以上温度下使用的陶瓷材料。这类陶瓷材料有望用于航天火箭的发动机部件，太空往返飞行器和高超音速运载工具的防热系统，先进核能系统用抗辐照结构材料和惰性基体材料，以及金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件等。目前，针对超高温陶瓷的主要研究内容包括：微结构调控与强韧化、抗氧化－耐烧蚀－抗热震性能的提升、抗辐照性能的改善等。 超高温陶瓷材料最早的研究从1960’s年代开始。当时在美国空军的支持下，Manlab开始了超高温陶瓷材料的研究，研究对象主要是ZrB2和HfB2及其复合材料。研发的80vol%HfB2 -20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的需要，但采用的热压工艺对部件制备有很大的限制。到1990’s ，NASA Ames 实验室也开始了相关研究。与此同时，美国空军从1960’s年代开始进行尖锐前缘飞行器及其热防护系统的分析和设计，经过三十多年的研究，取得了很大进展。Ames 实验室及其合作伙伴开展了系统热分析、材料研发和电弧加热器测试等一系列研究工作，并于1990’s年代进行了两次飞行实验（SHARP-B1 、SHARP-B2）。其中，SHARP-B2 的尖锐翼前缘根据热环境的不同分为三部分，分别采用的是ZrB2 /SiC/C 、ZrB2/SiC和HfB2/SiC材料，展示了基于二硼化铪和二硼化锆为主体的一类超高温陶瓷材料作为大气层中高超声速飞行器热防护系统材料的应用前景。2003年2 月1 日，美国航天飞机发生了“哥伦比亚”号的爆炸惨剧，为了保障未来的航天飞机具有更可靠的飞行安全性，美国航天宇航局（NASA）在“哥伦比亚”号失事后迅速启动了相关的研究计划，其中就包括研究新一代超高温陶瓷，用于航天飞机的阻热材料。研究计划目的在于开发出熔点高于3000℃的超高温陶瓷材料，主要是ZrB2、HfB2以及它们的复合材料，作为航天飞机的新型阻热材料。 从材料种类来看，超高温陶瓷主要包括高熔点硼化物和碳化物。其中HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过3000℃，无相变，具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等，并能在高温下保持很高的强度。成为超高温陶瓷最具潜力的候选材料。
高性能陶瓷材料
高性能陶瓷材料刘陈哲、王亚洲、李蠢、郭晨辉、谷琦琦、朱海旭 摘要：本文着重评述了高性能陶瓷的力学性能、性能检测方法、研究应用现状，并对纳米陶瓷及未来高性能陶瓷的设计、发展前景做了展望。 关键词：陶瓷，性能，检测方法，发展趋势 陶瓷材料力学性能 一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂 1、弹性 （1）弹性模量大 E值大，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。 （2）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。 （3）气孔率↑，弹性模量↓
2、塑性变形 （1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 （2）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。 （3）陶瓷的超塑性 是微晶超塑性。∵晶界滑动，晶界液相流动。 存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。 如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，在1250℃烧结后，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。 超塑加工＋扩散焊接：新的复合加工方法。 3、断裂 以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。 缺陷的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂的概率 ] dv F m v m )'()(e xp 1)(0σσ?σ σ????--=
F(ζ)—断裂概率；m—韦伯模数 ζ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632 ζ’、ζ—试样内部的应力及它们的最大值 若两种陶瓷材料的平均强度相同，在一定的断裂应力下，m值大的材料比m值小的材料发生断裂的几率小。 陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。 二、陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值 （1）弯曲强度 可采用三点弯曲、四点弯曲方法测出。 四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。 ∴强度比三点弯曲的低。 （2）抗拉强度 测试时，夹持部位易断裂（可采用加橡胶垫） ∴常用弯曲强度代之，高20%~40%。 （3）抗压强度 比抗拉强度高得多，10倍左右。 （4）硬度高 HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。 三：陶瓷材料的断裂韧度 工程陶瓷的KIC比金属的低1~2个数量级。 测定方法单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。 ∵KIC值受切口宽度的影响。金属材料：ζ↑、δ↓、KIC↓； 陶瓷材料：∵尖端塑性区很小。ζ↑、KIC↑。 四：陶瓷材料的疲劳强度
超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能
超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能 摘要 结构陶瓷材料具有超强、超硬、耐高温等性能，在许多应用领域有着金属等其它材料不可替代的地。本文通过查阅相关文献，阐述了结构陶瓷材料的结构，综述了结构陶瓷材料的结构及其性能特点,为今后陶瓷的发展提供了可靠的前景。 关键词：结构陶瓷，结构性能 引言：构陶瓷是陶瓷材料的重要分支，它以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。即在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要的应用,因此具有超强、超硬、耐高温的结构陶瓷材料成为了人们关注的热点。 2.结构陶瓷的定义及分类 结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等 功能的高性能陶瓷。 结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它若按化学成分分类可分为：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi 陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)。本文就从化学成分分析氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复合陶瓷等来分析。 2.1氧化物陶瓷 2.1.1 Al2O3陶瓷 AI2O3陶瓷类型的结构与性能 氧化铝陶瓷是一种以α- AI2O3为主晶的陶瓷材料。氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”，含量在85%左右称作“85瓷”，含量在99%左右称作“99瓷”。含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。Al2O3主要有三种晶型结构，即α-Al2O3，β-Al2O3，γ- Al2O3。Al2O3晶型转化关系如图1所示。α-Al2O3属三方晶系，2050℃熔化前稳定，β-Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物，γ-Al2O3：属尖晶石型结构（立方）。后两种在温度高于1600℃时全部转化为α-Al2O3，a-Al2O3
陶瓷件结构设计准则
陶瓷件结构设计准则(1)(十四)* 参考：陶瓷海https://www.360docs.net/doc/7d9397489.html, 1前言 陶瓷是重要的工程材料之一,坚硬耐磨是它主要的力学特性。它的承压能力强,但承拉能力差,特别是因为很脆,不耐冲击,陶瓷件的结构设计要注意这些材料特性。此外,陶瓷件的生产工艺对其结构设计影响很大。陶瓷件的生产工艺可以分为三部分:压制成形、烧结、后加工。其中压制成形一般用模具方法,这些是陶瓷件结构设计应考虑的基本因素。下面用结构设计准则的方法探讨其具体化。 2结构设计准则 2.1避免高精度配合准则 高精度的公差配合要求,在陶瓷件装配中很难满足,这是因为:(1)在毛坯制作和烧结过程中,构件的尺寸、形状、精度难以提高。(2)烧结后的陶瓷材料很坚硬,机械加工困难。即通过后继的精密的机械加工方法提高配合面精度的措施在此不合适。(3)陶瓷材料的弹性变形很小,靠构件弹性变形来减低装配难度的方法也行不通。所以,陶瓷构件要避免紧密配合。图1a和图2a所示结构因成形、烧结过程中难以避免的尺寸、形状误差,故装配困难,甚至根本无法装配,而将圆孔变成长孔,如图1b和图2b所示的结构,则装配起来要方便得多。 （a）不合理结构（b）改进结构 图1 2.2方便模具制作准则 不论是干压法、湿压法还是连压法,陶瓷构件毛坯制作都要模具。对于用模具生产的构件,减少其模具制作难度和制作成本是基本要求。图3a 的椭圆形结构所需的成形模具,其制作难度远高于图3b所示结构所需要的模具的难度。图4a的结构比之右边的结构虽然节省了原材料,但模具制作难度大、费用高。陶土通常是很低廉的,所以,图4b所示的陶瓷结构更为合理。带有边孔的结构其对应的模具制作困难,如在不妨碍构件功能的前题下,将边孔改设计为贯通到棱边的孔,即将封闭孔变成开通孔,则对应的模具制作要简单得多。如图5,图6和图7所示。
瓷砖的分类及各种种类的优缺点
瓷砖的分类 瓷砖按工艺分为：抛光砖、玻化砖、釉面砖、仿古砖、陶瓷锦砖、通体砖 一、抛光砖：抛光砖就是通体砖坯体的表面经过打磨/抛光处理而成的一种光亮的砖，属于通体砖的一种。相对通体砖而言，抛光砖的表面要光洁得多。抛光砖坚硬耐磨，适合在除洗手间、厨房以外的多数室内空间中使用。在运用渗花技术的基础上，抛光砖可以做出各种仿石、仿木效果。抛光砖易脏，防滑性能不很好。 ⑴、抛光砖的优点： 第一、无放射元素：天然石材属矿物质，未经高温烧结，故含有个别微量放射性元素，长期接触会对人体有害；抛光砖不会对人体造成伤害； 第二、基本可控制无色差：天然石材由于成岩时间、岩层深浅不同色差较大，抛光砖经精心调配，同批产品花色一致，基本无色差； 第三、抗弯曲强度大：天然石材由于自然形成，成材时间、风化等不尽相同，导致致密程度、强度不一；抛光砖由数千吨液压机压制，再经1200℃以上高温烧结，强度高； 第四、砖体薄、重量轻：天然石材因强度低，故加工厚度较大，笨重，增加了楼层建筑物的荷重，形成潜在威胁，成本上升，并且增加了运输、铺贴等困难。 ⑵、抛光砖的缺点： 有一个致命的缺点就是易脏，这是抛光砖在抛光时留下的凹凸气孔造成的。这些气孔会藏污纳垢，甚至一些茶水倒在抛光砖上都回天无力。也许业界意识到了这点，后来一些质量好的抛光砖在出厂时都加了一层防污层。
⑶、如何保养抛光砖： 1、定期中性清洁剂清洁表面、清除一般污渍，不可用任何强酸性的清洁剂，如洁厕净清洁洁厕净当时的清洁效果的确很好，但同时也烧坏了抛光砖的晶体层表面、使毛孔加大，从第二天开始，就变得越来越黑了，因为表层已经“烧坏”了，不抗污了。 2、中性晶面剂晶面护理。 3、特殊污渍如茶渍、果渍、咖啡渍、墨渍等.可采用高纯度的含量为27.5%以上的H2O2配合纸巾敷盖、浸泡2-3小时就能清除。 二、玻化砖：⑴、玻化砖其实就是全瓷砖。因为制造工艺的区别，其致密程度要比一般地砖更高，其表面光洁但又不需要抛光，所以不存在抛光气孔的问题。玻化砖是一种强化的抛光砖，它采用高温烧制而成。质地比抛光砖更硬更耐磨。区分玻化砖与抛光砖的主要区别就是吸水率。（吸水率越低，玻化程度越好，产品理化性能越好。）⑵、玻化砖是通体砖坯体的表面经过打磨而成的一种光亮的砖，属通体砖的一种。吸水率低于0.5%的陶瓷都称为玻化砖，抛光砖吸水率低于0.5%也属玻化砖（高于0.5%就只能是抛光砖不是玻化砖），然后将玻化砖进行镜面抛光即得玻化抛光砖，因为吸水率低的缘故其硬度也相对比较高，不容易有划痕。⑶、玻化砖是由石英砂、泥按照一定比例烧制而成，然后经打磨光亮但不需要抛光，表面如玻璃镜面一样光滑透亮，是所有瓷砖中最硬的一种，其在吸水率、边直度、弯曲强度、耐酸碱性等方面都优于普通釉面砖、抛光砖及一般的大理石。
什么是结构陶瓷
什么是结构陶瓷？ 结构陶瓷 在材料中，有一类叫结构材料主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（人造刚玉）是一种极有前途的高温结构材料。它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室中使用的刚玉磨球机，用来研磨比它硬度小的材料。用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。 2、氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷陶瓷也是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。 3、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷 4、人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。
1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g 的红宝石。现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。 比较结构陶瓷与功能陶瓷的异同点 器、电阻器、电子工业中的高温高频器件，变压器等形形色色的电子零件。利用 遍及现代科技的每一个领域，应用前景十分广阔。 碳化硅和增韧氧化物三类材料。
耐1800度高温陶瓷胶水
【1800度高温胶水性能特点】 ◆耐高温双组份，膏状，由无硅酸盐、进口高分子高温固化剂组成的超高温修补剂，耐高温长期可达1730 度，瞬间最高耐受温度达1800℃。 ◆具有较高的结合强度，不垂流，粘接强度高，适用于高温工况下各种金属、陶瓷、璃材料表面、垂直面、凸面或凹面的填补、密封、修复。 ◆耐介质强，具有优良的耐介质性能、抗绝缘性、耐酸碱性、耐磨、耐油，耐水。固化物无毒。 ◆方便快捷解决问题，本产品具有适用方便、快速、经济、耐用、可靠等特点，适合高温紧急修补之用。 【1800度高温胶水产品用途】 ◆解决一般胶粘剂无法解决高温运转作业环境下的粘接问题, 于高温下金属、陶瓷、高温炉内衬、金属溶液测温探头、硬质钢锭模具、耐酸罐、加温燃烧器设备装置缺陷的填补、粘接和修补；线形膨胀系数与陶瓷相近，适合于高温仪表、传感器、电阻、热电偶等耐温元件的灌封和高温陶瓷零件的套接、槽接。 【1800度高温胶水使用方法】 ◆表面处理：表面处理对修补效果的影响很大。被修表面应打磨粗糙或喷砂处理，对一些特殊工况要进行特殊处理。 ◆清洗：用专用清洗剂或脱脂棉蘸丙酮清洗打磨过的表面以除去残存油污。 ◆混合耐高温胶水（修补剂）：修补剂是由A、B双组份组成，使用时严格按规定的配合比将A、B双组份充分混合，按质量比A:B＝～：1ml，依施胶工艺的稀稠度而定。建议随用随配，减少浪费。 ◆涂胶：用刮板或胶刀将混合好的修补剂涂或灌于待修或粘接表面，可先涂少许，用刮板或胶刀反复按压，操做时接头最好用套接或镶嵌式结构。
◆固化：可室温固化，也可加热固化，但要严格按照固化条件进行，先在室温放置12小时然后缓慢加热到60～80℃保温2小时，再缓慢加热到150℃保温2小时，再缓慢冷却到室温。切忌直接加热或加热速度过快，冷却速度也不能过快，最好采用炉冷。【以下产品为您排忧解难】
瓷砖种类及其优缺点知识简述精编版
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按国标-吸水率分类 共分为五类： 1、瓷质砖：吸水率小于等于0.5%； 2、2、炻瓷质：吸水率大于0.5%小于等于3%； 3、3、细炻质：吸水率大于3%小于等于6%； 4、 5、4、炻质砖：吸水率大于6%小于等于10%； 6、陶质砖：吸水率大于10%。 排序： 陶质砖＞10%≥炻质砖大于6%≥细炻质大于3%≥炻瓷质大于0.5≥瓷质砖 应用：客厅地面一般宜选择瓷质砖或炻瓷砖，这种砖强度和耐磨性都较高，不易吸水变形或出现裂纹； 应用：厨房和卫生间地面，选择细炻砖或炻质砖较好，这两种砖有一定的吸水率，有利于地面干燥，同时也具有较好的强度。 按铺贴位置分类 内墙砖 外墙砖 地砖 按工艺分类 陶质釉面砖 ①釉面砖 瓷质釉面砖 简析： 釉面砖 优点：色彩和图案要更丰富，防污能力也更强。 缺点：不过耐磨性却不比抛光砖，因为表面上是釉料。 应用：釉面砖一般用于厨房和卫生间 陶质釉面砖： 由陶土烧制而成， 特性：吸水率较高，一般强度相对较低，主要特征是背面为红色; 瓷质釉面砖： 由瓷土烧制而成
特性：吸水率较低，一般强度相对较高，主要特征是背面为灰白色。 区分： 光泽上又分为亚光和亮光，厨房多选择亮光 玻化砖和釉面砖的区别： 在硬度上，吸水率高于0.5%的就是釉面砖，低于0.5%的就是玻化砖。） 抛光砖 ②通体砖 （表里如一） 玻化砖 简析： 通体砖: 是不上釉的，因材质正反面都一样而得名。 通常来说，通体砖比较耐磨的，但是没有釉面砖的花色丰富。 种类上也有防滑、抛光和渗花之分。 优点： 第一．通体砖的表面不上釉，正面和反面的材质和色泽一致，因而很出名。 第二．第二．通体砖经济又实用，所以在厨房里用得比较多。 第三．通体砖是一种耐磨砖，虽然现在还有渗花通体砖等品种，因此通体砖也越来越成为一种时尚，被广泛使用于厅堂、过道和室外走道等装修。第四.通体砖很能防潮。 第五．在厨房装修地面使用通体砖时，当其沾有油渍，可以用一般的清洁剂和金属丝擦洗，不会在地面上产生任何细小划痕或者污渍。 缺点： 第一．通体砖是经打磨后，毛气孔暴露在外，油污、灰尘等容易渗入。 第二．通体砖的吸水率偏高，污物尘土渗入砖体所致，一旦渗入是擦不掉的。第三．由于砖体表面存在开放性孔隙，容易吸纳污物和划痕，使得表面发黑、发黄、失去光泽，于是“瓷砖翻新”成为清洁市场的一大难题。 第四．通体砖由于表面不上釉，因此其装饰效果较差。 应用：厅堂和过道等地面，很少有人会用在墙面上。 抛光砖： 优点：表面光洁，坚硬耐磨，在运用渗花技术的基础上，可以做出各种仿石、仿木效果，无色差，弯曲强度大，砖体薄、重量轻。 缺点：易脏，防滑性能不很好，在抛光时留下的凹凸气孔造成的。这些气孔会藏污纳垢，所以在出厂时都加了一层防污层。 应用：适合在除洗手间、厨房以外的多数室内空间中使用。
高性能结构陶瓷的应用
TECHNOLOGY AND MARKET Vol.17,No.6,2010 金属拉丝模用材质主要有三种：硬质金属（WC-Co）、聚晶（PCD）、钻石（ND）。硬质合金和钻石是传统的模具材质。长期以来，硬质合金模一直在拉丝用模中占主导地位，它的特点是强度、韧性好、耐磨性优良、修模方便、相对成本较低。绝大部分规格的模具至今仍是采用这类材质。钻石模则由于成本昂贵，加工困难，仅在部分生产细丝的成品模上应用。 材质性能比较 聚晶（PCD）是70年代发展起来的一种新型耐磨材料，它是由金刚石微晶体掺粘接金属，经过高温高压制成，用聚晶制的拉丝模机械强度良好，同时因为金刚石微晶体在成型过程中的随机取向克服了单晶体各向异性引起的偏磨性，所以聚晶模的使用效果甚至优于钻石模，但是聚晶生产成本高，设备复杂，投资大。 硬质合金是由WC和Co经高温烧结而成。Co含量一般为3—18左右。拉丝过程中，金属钴易于与被拉线材在某些区域发生“微观热焊合”产生粘着磨损或者发生塑性形变，而使“网状碳化钨”或“孤岛状碳化钨”断裂损坏，导致模具磨损失效。 陶瓷模则采用陶瓷微粉经高温烧结而成，耐磨晶体通过固相结合方式紧密结合。选择适当的烧结助剂，可以使陶瓷晶界接合强度大大增加，致密程度大为提高，线材与模具的磨擦磨损，除了润滑和变形角度等因素影响之外，模具本身硬度，晶相与粘接相的比例晶界结合强度是关键因素。由于陶瓷固相烧结，避免了金属粘接相的存在。使单位行程耐磨晶相比硬质合金明显增多，提高了体硬度。采取适当的工艺，可使陶瓷晶界强度和韧性能抵抗住拉丝压应力和剪切的破坏，改变拉丝模的磨损机制，从而有效地提高模具使用寿命。 陶瓷模与硬质合金模相比具有较低的磨擦系数，同时陶瓷与金属没有亲合性，在拉丝过程也不存在类似硬质合金一样的“微观热焊合”从而减少了拉丝阻力。对提高拉丝速度有利，一定程度上适应了拉丝机械发展的要求，陶瓷的微晶化技术使陶瓷制品具有更理想的表面光洁度，这对改善线材表面质量有利。 聚晶模耐磨性极好，是硬质合金模的20—200倍，但是聚晶模硬度高给修模带来了很大困难，修模时间及费用大大高于硬质合金模。一般聚晶模的修理费用约为其价格的三分之一。陶瓷模的硬度虽略高于硬质合金，但大大低于聚晶模。试验证实，利用原硬质合金修模手段修模，质量完全符合要求，而使用陶瓷模无需添置设备和增加修模成本，这也是使用单位乐于接受陶瓷模的一个有利因素。 成果特点 本成果是以三相复合陶瓷材料ZTA为原料，研制生产的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮及其工业应用产品。实验证明，ZTA材料所制成的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮，完全可以替代工业上常用的硬质合金拉制模具和金属塔轮在生产线上使用。 陶瓷材料在应用于制造拉丝模方面比硬质合金具有很多优良的特点，并且，原料成本远低于硬质合金、聚晶和天然钻石。目前国内企业至今没有普遍使用的原因就在于虽然制作陶瓷拉丝模的原料成本较低，延用硬质合金模的制作工艺（即烧成后进行打孔、研磨等工序）来制作陶瓷拉丝模的成本却很高。对陶瓷材料来讲，烧成后材料硬度很高，研磨很困难。因此，传统的制作方法样品加工成本太高，难以推广使用。本项目采用成型时就将陶瓷拉丝模的模孔和各部工作区一次成型出来的办法，烧结完毕后只需将表面抛光即可使用，避免了烧结后的研磨加工工序，从而大大降低了陶瓷拉丝模的制作成本，另外，采用先进的微波烧结方法，提高了材料的性能指标和使用寿 高性能结构陶瓷的应用院校成果 122