第三章 陶瓷材料
陶瓷材料的制备和结构表征
陶瓷材料的制备和结构表征第一章介绍陶瓷材料是一种重要的非金属材料，在工业、生活等领域得到广泛应用。
其具有密度高、硬度大、耐高温、耐腐蚀等一系列特殊的物理化学性质。
在制备和结构表征方面，陶瓷材料与传统金属材料存在很大的不同。
陶瓷材料的制备和表征过程需要深入了解其基本性质和物理化学性质。
本文将介绍陶瓷材料的制备和结构表征方法。
第二章陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备包括粉末制备和成型、烧结两个阶段。
其中，粉末制备是制备陶瓷材料的基础。
常见的粉末制备方法有物理方法和化学方法。
物理方法包括粉末冶金法、反应冶金法、溶胶凝胶法等。
化学方法包括气相沉积法、溶剂热法、水热法等。
需要根据不同陶瓷材料的特性选择合适的制备方法。
成型和烧结是陶瓷材料制备的重要步骤。
成型包括压制、注塑、挤出、塑性成型等多种方法。
烧结是将陶瓷材料加工为坚硬的固体的过程，主要有气相烧结、等温烧结、快速烧结等多种方法。
需要根据不同材料的特性和制备过程的需求选择合适的成型和烧结方法。
第三章陶瓷材料的结构表征陶瓷材料的结构表征是分析其性质和寻找优化方法的基础。
常见的陶瓷材料结构表征方法有 X 射线衍射、电子显微镜等。
X 射线衍射是测定晶体结构的方法，可以得知晶格参数和结构性质等信息。
电子显微镜则可以在原子尺度上观察材料的形貌、晶型等基本结构特性。
热重分析是另一种常用的陶瓷材料表征方法，可以测定陶瓷材料热稳定性、热膨胀系数、烧结过程中的物质变化等重要性质。
第四章陶瓷材料的应用陶瓷材料在生活和工业领域都有广泛应用。
在生活中，常见的陶瓷材料有陶瓷工艺品和家居餐具等。
在工业领域，陶瓷材料具有高硬度、高热稳定性、耐腐蚀等特性，被广泛应用于航空、医疗、建筑等行业。
例如，氧化铝(Corundum)和氧化锆(ZrO2)等陶瓷材料可以用于机械制造、电子技术和化学工程等领域。
第五章陶瓷材料制备和结构表征的新进展近年来，随着科技不断进步，陶瓷材料的制备和结构表征方法也得到了很多新的发展。
陶瓷的加工工艺
金属陶瓷 其它
白色
0~0.5 陈设瓷、高低压电瓷
白色 白色
0~0.5 0~0.5
日用餐茶具、美术用品 日用餐茶具、美术用品
白色
0~0.5
耐高频、高强度、耐高温
日用餐茶具、美术用品 硅线石瓷、刚玉瓷等
耐高频、高强度、低介电损失
滑石瓷等
高强度、高介电损失
锆英石瓷等
高电容率、铁电性、压电性 钛酸钡瓷、金红石瓷等
釉上彩是先烧成白釉瓷器，在白釉上进行彩绘，再入彩炉低温二次烧成，釉 上五彩，粉彩、珐琅彩都是釉上彩。釉上釉下混合彩是先烧成釉下彩 (即在瓷胎 上直接绘画图案，罩透明釉高温一次烧成，主要是青花) ，然后再在适当的部位 涂绘釉上彩，入炉低温二次烧成。青花矾红彩，斗彩、青花五彩都属于釉上釉下 混合彩。最终形成青花类；色釉瓷类；彩瓷类三大系列。
釉上五彩
第一节 概述
四、表面装饰
陶瓷的加工工艺
第三章 陶瓷
釉上彩料也是需要调制成中间色，然后使用，有时调制时 还需加入一些助熔剂。目前使用的釉上彩料的调制方法有：
红 色 由CdS与CdSe配以无铅或少铅的酸性熔剂的镉硒红；
由金红配以少铅多碱的硅硼玻璃的 金紫红以及由Fe2O3配以铅 玻璃熔剂的西赤；
工艺品，而且大量用于各种不同的工艺结构和艺术形式的大型壁画、雕刻和室内 外的景观，其工艺效果与艺术魅力是其它材料望尘莫及的，是一个既传统、又崭 新的无限广阔的艺术领域。传统的陶瓷材料是用粘土类及其它天然矿的原料经粉 碎加工、成型、煅烧等生成。
第一节 概述
陶瓷的加工工艺
第三章 陶瓷
由于它使用的原料主要是硅酸盐矿物类材料。 生产的发展与科技的 进
第三章 陶瓷
5、裂纹釉 采用具有比坯体热膨胀系数高的釉，可以在迅速冷却中使釉表面产生裂纹。
碳化物陶瓷材料
第三章碳化物陶瓷材料碳化物是一类耐高温陶瓷材料，通式为Me x C y，可以分为金属碳化物和非金属碳化物两大类。
根据碳化物的晶体结构特点分类，碳化物也可以分为两大类，一类是具有简单的碳化物结构，例如SiC、B4C、TiC、WC、VC及ZrC等；另一类具有较复杂的结构，例如Fe3C、Cr7C3及Cr3C6等。
前者稳定，具有高的硬度、强度、良好的耐磨特性及高温力学性能，所以其应用与开发较为广泛。
而后者稳定性差一些，熔点与硬度稍低，但是常作为钢铁材料中的强化相，并以各种复杂相而存在，例如(Fe, Mn)3C、(Fe, Cr)3C、(Fe, Cr)7C3、(Fe, W)6C及(Fe, Mo)6C等[1]。
碳化物高温结构陶瓷材料通常是指SiC、B4C、TiC、WC、ZrC及其复合材料。
碳化物陶瓷材料的主要特性之一是具有高熔点，例如TiC的熔点为3460℃、WC的熔点为2720℃、ZrC的熔点为3540℃。
碳化物陶瓷材料均具有较高的硬度，例如碳化硼在室温下是仅次于金刚石和立方氮化硼的最硬材料，显微硬度可以达到48.5 GPa，碳化钛的显微硬度为31.4 GPa，碳化硅的显微硬度为29.4 GPa。
碳化物陶瓷材料也具有良好的导电性、导热性及化学稳定性。
大多数碳化物陶瓷材料在常温下不与酸反应，少数碳化物陶瓷材料即使加热也不与酸起反应，最稳定的碳化物陶瓷材料甚至不会受到硝酸与氢氟酸混合酸的腐蚀。
因此，碳化物陶瓷材料可以作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料，在国民经济中获得了广泛应用，是极为重要的高技术陶瓷材料之一。
3.1 碳化硅陶瓷材料碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石，是一种典型的共价键结合化合物，自然界几乎不存在。
SiC的最初应用是由于其超硬性能，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，广泛应用于机械加工行业。
第二次世界大战中又发现它还可以作为炼钢时的还原剂以及加热元件，从而促进了SiC的快速发展。
材料科学基础上海交大第三版
材料科学基础上海交大第三版介绍材料科学是研究材料结构、组成、性能和制备方法的学科，具有重要的理论基础和实际应用。
本文将探讨《材料科学基础上海交大第三版》这本教材的内容和意义。
教材概述《材料科学基础上海交大第三版》是由上海交通大学材料科学与工程学院编写的教材。
该教材系统地介绍了材料科学的基本概念、原理和技术。
它以全面、详细和深入的方式讲解了各种材料的结构、性能、制备和应用。
该教材的第三版相对于前两版进行了进一步的修订和更新，新增了一些最新的科研成果和实践经验。
重要章节第一章：材料科学基础该章介绍了材料科学的基本概念、发展历史和研究方法。
它讲解了材料的分类、性能评价和性能调控等内容。
通过学习该章，读者可以对材料科学有一个整体的认识。
第二章：金属材料该章主要讲解了金属材料的结构和性能。
它详细介绍了金属晶体结构、缺陷和相变等基本概念，以及金属的力学、热学和电学性能。
同时，该章还介绍了金属材料的制备方法和应用领域。
第三章：陶瓷材料该章介绍了陶瓷材料的结构和性能。
它详细讲解了陶瓷的晶体结构、缺陷和相变等基本概念，以及陶瓷的力学、热学和电学性能。
此外，该章还介绍了陶瓷材料的制备方法和应用领域。
第四章：高分子材料该章主要介绍了高分子材料的结构和性能。
它详细阐述了高分子的聚合反应、分子构象和玻璃化转变等基本概念，以及高分子的力学、热学和电学性能。
同时，该章还介绍了高分子材料的制备方法和应用领域。
第五章：复合材料该章介绍了复合材料的结构和性能。
它详细讲解了复合材料的基体材料、增强材料和界面等基本概念，以及复合材料的力学、热学和电学性能。
此外，该章还介绍了复合材料的制备方法和应用领域。
重要实验实验一：金属的晶体结构研究该实验旨在通过实际操作，观察金属的晶体结构，并了解金属的晶体缺陷。
通过该实验，学生可以进一步理解金属的结构与性能之间的关系。
实验二：陶瓷材料的力学性能测定该实验旨在通过实验测定方法，了解陶瓷材料的力学性能。
陶瓷原料
2.2.2 蒙脱石类
理论化学组成：Al2O3·SiO2·nH2O，其中n通常大于 2。
蒙脱石为主要成分的粘土称为膨润土。由于蒙脱 石能吸收大量的水，体积膨胀，膨润土吸水后体 积可膨胀20－30倍。
结晶类型：三层结构，两层硅氧四面体夹一层铝 氧八面体，这种结构是蒙脱石能够吸水的重要原 因。
四面体中Si4+小部分可以被Al3+、P5+置换；八面 体中的Al3+常被Mg2+、Fe3+、Zn2+等置换。
叶蜡石
理论化学组成：Al2O3·SiO2·H2O，其中Al2O3 ： 28.30%，SiO2：66.70%，H2O：5.00%。
浙江青田、福建寿山。
2.2.3 伊利石类（水云母类）
450450以上结构水缓慢排出高岭石变成偏高以上结构水缓慢排出高岭石变成偏高岭石不含结晶水的高岭石岭石不含结晶水的高岭石450高岭石偏高岭石继续加热偏高岭石进一步反应形成硅铝尖晶继续加热偏高岭石进一步反应形成硅铝尖晶温度超过温度超过10501050左右硅铝尖晶石逐渐分离出左右硅铝尖晶石逐渐分离出晶格中的方石英晶格中的方石晶石sioal方石英硅铝尖晶石莫来石的性能和作用莫来石的性能和作用针状或细柱状晶体理论化学组成
2.2 粘土的主要矿物类型
高岭石类 蒙脱石类 伊利石类
2.2.1 高岭石类
理论化学组成：Al2O3·2SiO2·2H2O，其中 Al2O3 ：39.53%，SiO2：46.51%，H2O： 13.96%。
高岭土：主要由高岭石组成的较纯净的粘 土，首次发现于江西景德镇东部高岭村山 头。（制瓷用高岭土含高岭石60－65%， 伊利石25－30%，杂质5－10%）
3. 继续加热，偏高岭石进一步反应形成硅－铝尖晶 石
材料讲堂：先进陶瓷材料(纯本人制作)(共43张PPT)
常见先进陶瓷的应用
先进陶瓷材料
碳化硅陶瓷
SiC陶瓷：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的高温力学性能。 SiC陶瓷是陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最正确的。
先进陶瓷材料
激光切割机
激光打孔机
超声波打孔机
先进陶瓷材料
第三章 常见先进陶瓷的应用
光学石英玻璃
刚玉陶瓷
尖晶石透明陶瓷
常见先进陶瓷的应用
氧化铝陶瓷
❖ 热学：熔点很高，可作高级耐火材 料，如坩埚、高温炉管等。 ❖ 力学：硬度大，可以制造实验室使 用的刚玉磨球机。
❖ 光学：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。
生产率低
价格：31万欧元（￥260万）
陶瓷材料的制备工艺
➢ 3. 气氛烧结
✓ 对于空气中很难烧结的制品， 为防止其氧化等，研究了气氛 烧结方法。即在炉膛中通入一 定的气体〔惰性气体〕，在此 气氛下进行烧结。
✓ 如Si3N4、SiC等非氧化物，在高 温下易被氧化，因而需要在惰性 气体中进行烧结。
先进陶瓷材料
劳动强度大
不易自动化
电微学观的 变化—：—晶—稳粒—长定—大—，性气孔好减〔少。不易沉淀和分层〕
收缩形变大
脱模性好 高温轴承（1300℃）
注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。
即在炉膛中通入一定的气体〔惰性气体〕，在此气氛下进行烧结。
胚体烧结 是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。
光学：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。
第03章 多孔陶瓷材料
⑤ 比表面积高。
3.2.5 多孔陶瓷材料特性参数
一般可用下述三个参数来表征多孔陶瓷材 料特性：
① 气孔率； ② 平均孔径、最大孔径和孔道长度； ③ 渗透能力 (或者透过能力或通量)。 ④ 力学性能 。
3.1.3 浆料发泡法
发泡工艺是向陶瓷组分中添加有机或无机化学物 质，通过化学反应等产生挥发性气体而产生泡沫，再 经干燥和烧成制得多孔陶瓷。
原理：在陶瓷浆料中产生分散的气相而发泡，
其中悬浮液一般由陶瓷材料、水、聚合物粘接剂、表
面活性剂和凝胶剂等组成。
发泡方式有机械发泡、注射气流发泡、放热反应 释放气泡、低熔点溶剂（氟里昂等）蒸发发泡、发泡剂 分散发泡等。
3.1.4 有机泡沫浸渍法
有机泡沫浸渍法是1963 年由美国Schwartz walder 等发明的，其原理是利用有机泡沫特殊的三维开孔网状 骨架结构做模板，将陶瓷浆料均匀涂覆在其表面形成涂 层，干燥后烧掉有机泡沫，从而获得具有有机泡沫一次 反型结构的多孔陶瓷。
常用的有机泡沫材料一般是通过发泡工艺制作的聚合 海绵，具有三维开孔的网状结构以及一定的强度和亲水性 能，材质通常为聚氨酯、聚氯乙烯、纤维素等。
P--使流体通过毛细管所需之压力;
--流体的材料的浸润角。
一般认为，多孔材料用于液体过滤时，被 滤阻的粒子尺寸为最大孔径的1/10；
多孔材料用于气体过滤时，被滤阻的粒子 尺寸为最大孔径的1/20。
多孔陶瓷的孔道形状复杂而无规则，因此 毛细管的实际长度大于材料的厚度，两者之比 称为扭曲度，用符号表示。
3.1.5 挤压成型法
第三章 第三节 玻璃、陶瓷和水泥
6．特种玻璃 种类 石英玻璃或 硼酸盐玻璃 制作方法 提高SiO2的 含量，或加 入 B2O3 性能和用途 提高化学稳定性，降低热膨胀系 数，使其更耐高温和抗化学腐蚀， 可用于制造高级的化学反应容器。 折光率高，可用来制造眼镜片、
光学玻璃
加入
PbO
照相机、望远镜和显微镜中的透
镜等。
种类
制作方法 加入
B．高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料 C．新型无机非金属材料包括半导体材料、光导纤维、氧 化铝陶瓷等 D．氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，也属于高温 结构材料
[例4]
)
[名师解析]
[答案] A
硅酸盐材料属于传统非金属材料。A项错误。
[名师点睛]
材料一般分为三类：金属材料、无机
非金属材料和高分子材料。其中无机非金属材料又分为 传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。而玻璃、 陶瓷、水泥是传统无机非金属材料。
解析：钢化玻璃的机械强度比普通玻璃大，抗震裂、不易 破碎，碎块没有尖锐的棱角，不易伤人，常用于制造汽车 或火车的车窗等；提高SiO2的含量或加入B2O3能提高玻璃 的化学稳定性和降低它的热膨胀系数，从而使其更耐高温
和抗化学腐蚀，可用于制造高级的化学反应容器；加入
PbO后制得的光学玻璃折光率高，可用来制造光学仪器。 答案：a d b c
范围内软化
玻璃窑
高温条件下发生复杂的物理变化、化学变化，冷却后成为
硅酸盐改写成氧化物形式的方法 硅酸盐种类繁多，结构复杂，但硅酸盐可以看成碱性 氧化物和酸性氧化物所组成复杂化合物。因此，可以改写 为aMxOy· bSiO2· cH2O的方式。 (1)氧化物书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧
化物→二氧化硅→水。
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马赛克纸皮朝上整张 铺贴，干后洗去纸皮
• 四、怎样辨别瓷砖的好坏 一、看
主要是看瓷砖表面是否有黑点、气泡、针孔、裂纹、有无划痕、色斑、缺 边、缺角玻化砖还要注意是否有漏抛、漏磨等缺陷。查看底胚商标标记，正 规厂家生产的产品底胚上都有清晰的产品商标标记。
二、掂
就是掂分量，试瓷砖的手感，同一规格产品，质量好，密度高的砖手感 都比较沉，反之，质次的产品手感较轻。
• 玻化砖
玻化砖地面
玻 化 砖 拼 图 地 面
锦砖（马赛克） ： • 马赛克（Mosaic），建筑专业名词为锦砖，分为陶瓷锦砖和玻璃锦砖
两种。 • 它是一种特殊存在方式的砖，一般由数十块小块的砖组成一个相对的
大砖。它以小巧玲珑、色彩斑斓的特点被广泛使用于室内小面积地面、 墙面和室外大小幅墙面和地面。马赛克由于体积较小，可以作一些拼 图，产生渐变效果 。
• 内墙砖：
•
是瓷砖的一种，主要用于室内的墙壁装修。花色品种多，装饰性
强、具有保护墙体、防止水溅的作用，易清洁、光泽度好、吸水率强。
• 规格：100×200 、300×450 、300×600 、200×400、 100×400、 250×400、 300×300等。
• 厨房、卫生间等一般多用300×300或者是300×450 。
红色。瓷制釉面砖，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 面为灰白色。釉面砖是装修中最常见的砖种，色彩图案丰富，而且防污能力强，因此
广泛使用于墙、地面装修。多用于厨房、卫生间。
规格：
正方形釉面砖有 100X100mm、152 × 152mm 、 200 × 200mm等； 长方形釉面砖有 152 × 200mm 、 200 × 300mm、250X330、300X450 等； 常用的釉面砖厚度 5mm -8mm 。
• 品牌：马可波罗、金意陶、罗浮宫、帝舵、新中源
石 板 地 面
• 通体砖：
•表面不上釉，且正面和反面 Nhomakorabea材质和色泽一致
•
普通通体砖（防滑砖）
•
抛光砖
•
玻化砖
•
微晶砖
• 普通通体砖，也叫防滑砖，是一种耐磨砖，有很好的防滑性和耐磨性。 • 优点：由于表面较粗糙，所耐磨性、防滑性是所有瓷砖最好的。 • 缺点：它独特的结构决定了通体砖的纹理、效果单一，装饰效果较差。
• 规格：300mm×300mm、400mm×400mm、500mm×500mm、 600mm×600mm、800mm×800mm。
陶瓷墙地砖
• 抛光砖：
•
玻化砖是瓷质抛光砖的俗称。
•
玻化砖是由石英砂、泥按照一定比例烧制而成，然后经打磨抛光，表面
如玻璃镜面一样光滑透亮，在吸水率、边直度、弯曲强度、耐酸碱性等方面
• 仿古砖：
•
通常指的是有釉装饰砖，仿古砖是从彩釉砖演化而来，实质上是上釉的
瓷质砖。与普通的釉面砖相比，其差别主要表现在釉料的色彩上面，所谓仿
古，指的是砖的仿古效果，应该叫仿古效果的瓷砖 。有皮纹、岩石、木纹
等等系列
•
防水、防滑、耐腐蚀的特性。
• 规格：300×300 、400×400 、500×500 、600×600 、300×600 、 800×800。
都优于普通釉面砖及一般的大理石。
优点：表面光亮，漂亮，同时耐磨
性、硬度是所有瓷砖中最高的，所以广泛用于用于客厅，门庭等地方。
•
缺点：色泽、纹理较单一，不够防滑。
• 常用规格：400x400mm、500x500mm、600x600mm、800x800mm、 900x900mm、1000x1000mm。
地砖： 地面常用装饰材料，质坚、容重小，耐压耐磨，平整、防潮。多
用于公共建筑和民用建筑的地面和楼面。
规格： 500×500， 600×600，1200×1200， 450×450， 300×300 等。
广场砖：
广场砖属于耐磨砖的一种。主要用于广场、行道等大面积范围的 地方。其砖体色彩简单，砖面体积小，多采用凹凸面的形式。具有防 滑、耐磨、修补方便的特点。
• 第三章 陶瓷材料
• 一、概念 是多为黏土、石英沙、长石、硅灰石等为主
要原料，结合辅助原料，经研磨、混合、 压制、施釉、烧结等过程，形成耐酸碱的 瓷质或陶质块状装饰材料，即为瓷砖。
瓷砖是建筑装饰材料中运用较为广泛 的一类材料。
• 二、陶瓷的基本知识
• •陶 •炻 •瓷
吸水率 大 中 小
声音 粗哑
中 清脆
透明度 不 不
半透明
三、瓷砖分类
1、按用途分：外墙砖、内墙砖、地砖、广场砖、工业砖等；
外墙砖：作为瓷砖的一种，拥有超强的功能。它不吸附污垢，不 吸水、不易退色、长期使用也不会变坏，对酸雨也有较强的抵御能力。 是抗污较强的建筑材料。
多为通体砖、釉面砖 规格：60×240，100×200，130×260，140×280，150×300， 200×400等。
规格：100×100， 150×150， 200×200， 300×300， 350×350， 350×450 等。
2、按施釉分：釉面砖、通体砖、锦砖
釉面砖： 砖的表面经过烧釉处理的砖。根据原材料的不同，可以分为陶制釉面砖和瓷制釉
面砖两大类。 陶制釉面砖，由陶土烧制而成，吸水率较高，强度相对较低，其主要特征是背面为
三、听
通过敲击瓷砖，通过听声音来鉴别瓷砖的好坏。
四、敲
粗哑——差 清脆——好
• 墙砖或者小规格瓷砖
• 大地砖（客厅等地面是使用的玻化砖或者仿古砖）
• 五、拼 • （1）检查瓷砖的尺寸问题
• （2）检查瓷砖的平整度问题
• （3）瓷砖的直角度问题
马赛克的种类： 1、 陶瓷马赛克
是最传统的一种马赛克，以小巧玲珑著称，但较为单调，档次较低。 2、 玻璃马赛克
玻璃的色彩斑斓给马赛克带来蓬勃生机。它依据玻璃的品种不同，又分 为多种小品种： 1) 熔融玻璃马赛克。以硅酸盐等为主要原料，在高温下熔化成型并呈乳浊或 半乳浊状，内含少量气泡和未熔颗粒的玻璃马赛克。 2) 烧结玻璃马赛克。以玻璃粉为主要原料，加入适量粘结剂等压制成一定规 格尺寸的生坯；在一定温度下烧结而成的玻璃马赛克。 3) 金星玻璃马赛克。内含少量气泡和一定量的金属结晶颗粒，具有明显遇光 闪烁的玻璃马赛克。