陶瓷材料的性能特点
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）。
超高温陶瓷标准
超高温陶瓷标准
超高温陶瓷（Ultra-High Temperature Ceramics，简称UHTCs）是一类具有出色耐高温性能的陶瓷材料。
通常，超高温陶瓷的使用温
度范围可以达到2000℃以上。
超高温陶瓷具有以下特点和性能：
1. 高温稳定性：超高温陶瓷在极高温度下具有良好的热稳定性
和化学稳定性，不易熔化、氧化或发生化学反应。
2. 强度和硬度：超高温陶瓷通常具有极高的强度和硬度，能够
耐受高温下的机械应力和磨损。
3. 低热膨胀：超高温陶瓷的热膨胀系数较低，使其能够在高温
环境下保持结构的稳定性。
4. 导热性：超高温陶瓷通常是优良的导热体，能够有效地将热
量传导到外部环境。
超高温陶瓷尚未有统一的国际标准，但各个国家和国际组织都有
自己的测试和评估标准。
例如，美国国家航空航天局（NASA）制定了
一系列用于评估超高温陶瓷性能的测试标准，包括高温抗氧化性能测试、热膨胀系数测定等。
此外，欧洲陶瓷学会（European Ceramic Society）也提供了一些测试方法和标准来评估超高温陶瓷的性能。
虽然还没有统一的标准，但超高温陶瓷的性能评估一般包括以下
方面：高温稳定性、热膨胀系数、机械性能、导热性、抗氧化性能等。
通过评估这些性能指标，可以确定超高温陶瓷在特定高温应用中的适
用性和可靠性。
陶瓷材料
四、陶瓷材料性能的影响因素 陶瓷材料性能的影响因素
1 2 3 4 5 6 7 气孔率对弹性模量、 气孔率对弹性模量、强度的影响 晶粒尺寸对强度的影响 晶粒尺寸与韧晶粒尺寸与韧 脆转变温度的关系 显微结构对陶瓷材料蠕变的影响 晶粒尺寸、 晶粒尺寸、气孔对陶瓷的抗热震性能的影响 晶粒尺寸、 晶粒尺寸、晶界对陶瓷材料超塑性的影响 第二相晶粒粒度对陶瓷材料强度的影响
二、陶瓷材料的分类 陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 、 化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 瓷及其它化合物陶瓷。 氮化物陶 瓷及其它化合物陶瓷。 2、按使用的原材料分类 、 使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。 特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。 特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。 3、按性能和用途分类 、 性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。
(5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。 韧性差 脆性大 是陶瓷的最大缺点。 (6) 热膨胀性低。 热膨胀性低 性低。 导热性差，多为较好的绝热材料（ 导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K） ～ ﹒ ） (7)陶瓷的抗热振性很低。 陶瓷的抗热振性很低。 陶瓷的抗热振性很低 抗热振性—热稳定性 热稳定性， 抗热振性 热稳定性，即急冷到水中不破裂所能承受的 最高温度。（陶瓷的比金属低很多，日用陶瓷220℃） 。（陶瓷的比金属低很多 最高温度。（陶瓷的比金属低很多，日用陶瓷 ℃ (8) 化学稳定性强。 化学稳定性强 耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、 耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、 盐） (9) 导电性差异大。 导电性差异大 差异大。 大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（ 大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO， ， Fe3O4等） 等 (10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。 其它： 其它 不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。
陶瓷材料的性能特点及其应用
• ④按照一定的硅氧比数，稳定的硅酸盐结构中， • 硅氧四面体采取空间维数互相结合，单个四面 • 体的维数为0，连成链状、层状和立体的维数 • 相应为1、2、3； • ⑤硅氧四面体相互连结时优先采取比较紧密的结 • 构； • ⑥同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原 • 子。
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.1 0.2120 .10.21 10:11: 2010: 11:20 Octob er 21, 2020
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踏实肯干，努力奋斗。2020年10月2 1日上 午10时 11分2 0.10.2 120.10 .21
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。 2020年 10月2 1日星 期三上 午10时 11分2 0秒10: 11:20 20.10. 21
。烧成的制品开口率较高，致密度较低。当烧成湿开口气 孔率接近于零，获得高致密度的瓷化过程成为烧结。 2.烧成（或烧结）四阶段 ①蒸发期（室温～300℃）
排除坯体内的残余水分。
②氧化物分解和晶型转化期（300 ℃～950 ℃） 粘土中结构水的排除，碳酸盐（杂质）的分解，有机
物、碳素的氧员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.1 0.2120 .10.21 10:11 10:11: 2010: 11:20 Oct-20
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。20 20年1 0月21 日星期 三10时 11分2 0秒We dnesd ay, October 21, 2020
3、陶瓷材料的电性能
电子陶瓷是现代陶瓷的重要组成部分。 物质传导电流的能力通常用电导率或电阻率来衡量，被电场感应的性质通
陶瓷耐磨材料
陶瓷耐磨材料
陶瓷耐磨材料是一种具有优异耐磨性能的材料，广泛应用于工业生产中的磨损
部件。
它具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性高等特点，因此在矿山、冶金、建材、化工等领域得到了广泛的应用。
首先，陶瓷耐磨材料的硬度非常高，通常在Mohs硬度等级中可以达到7级以上，甚至有的可以达到9级。
这种硬度使得陶瓷耐磨材料在受到外力冲击或磨损时能够保持其表面的平整和光滑，极大地延长了其使用寿命。
其次，陶瓷耐磨材料具有优异的耐磨性能。
在高速运动或重负荷下，陶瓷耐磨
材料能够有效地减少磨损，保持其表面的完整性和光洁度。
这种耐磨性能使得陶瓷耐磨材料成为许多磨损部件的理想选择，如磨损板、研磨球等。
此外，陶瓷耐磨材料还具有优异的化学稳定性。
它能够抵抗酸、碱、盐等化学
腐蚀，不易受到化学物质的侵蚀和腐蚀，保持其稳定的物理性能。
这使得陶瓷耐磨材料在恶劣环境下的使用更加可靠和持久。
总的来说，陶瓷耐磨材料在工业生产中发挥着重要的作用，其优异的硬度、耐
磨性和化学稳定性使得它成为许多磨损部件的首选材料。
随着科学技术的不断发展，相信陶瓷耐磨材料将会在更多领域得到应用，为工业生产提供更加可靠和高效的保障。
陶瓷材料的力学性能
当温度进一步升高时（C区）。二维滑移系 开动，位错塞积群中的一部分位错产生的交叉滑 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越发明显。所以 在此区域内，断裂应力有随温度的升高而上升的 趋势。
图11－10给出的是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 合很好，也并非对所有陶瓷材料A、B、C三个区 都出现。
因此了解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、设计都是十分重要的。
1 陶瓷材料的弹性性能
• 1.1 陶瓷材料的弹性模量 • 1.2 弹性模量的影响因素 • 1.3 复合材料的弹性模量 • 1.4 单晶体陶瓷弹性模量的各向异性
1.1 陶瓷材料的弹性模量
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。
1.2 弹性模量的影响因素
• 1 温度对弹性的影响 • 2 弹性模量与熔点的关系 • 3 弹性模量与材料致密度的关系
1 温度对弹性的影响
• 由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性模量 对温度变化很敏感。当温度升高时，原子间距增大，由d0变为 dt(如图11-1),而dt处曲线的斜率变缓,即弹性模量降低。
111陶瓷材料的弹性性能112陶瓷材料的强度及其影响因素113陶瓷材料的断裂韧性与热抗震性第十一章陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键键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及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
E 100kTm （11－1） Va
陶瓷的特性优缺点
5-陶瓷材料的力学性能
二、陶瓷材料的增韧
工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料 的增韧一直是材料学界研究的热点之一。
通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也 随之降低。
产生的应力腐蚀后都会在没 有明显预兆的情况下发生脆 断，会造成严重事故。
（二）循环疲劳
1987年，研究发现单相陶瓷、相变增韧陶瓷以及陶瓷基复 合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳裂 纹萌生和扩展现象。
图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸10微米）在室温空气环境 对称循环加载（f=5Hz）及在静载下的裂纹扩展特征。
应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电 性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。
第一节 陶瓷材料的变形与断裂
一、陶瓷材料的弹性变形
弹性模量
1、弹性模量的本质 弹性模量的大小反映材料原子间结合
力的大小，越大，材料的结合强度越高。 2、陶瓷材料高弹性模量的原因
1) 由于陶瓷材料具有离子键或共价键的 键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点， 也表现出高的弹性模量。
断裂韧性：
K IC (2E s )1/ 2
金属材料要吸收大量的塑性变性能，而塑性变性能要比表面 能大几个数量级，所以陶瓷材料的断裂韧性比金属材料的药 低1~2数量级，最高达到12~15MPa.m1/2
陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时，裂纹一旦出现， 极易产生失稳断裂。
山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点处存在应 力集中现象，易在较低载荷下产生裂纹，所以不需要预 制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定 扩展，直至断裂。
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第八章陶瓷材料
第1节陶瓷材料概述
第4讲陶瓷材料的性能特点
先进陶瓷分类
(按其性能和功能)
结构陶瓷：作为工程结构材料使用的陶瓷功能陶瓷：具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷
力学性能特点1
硬度高
510
152025
几种典型陶瓷材料的维氏硬度与不锈钢材料的对比图
维氏硬度/G P a
结构陶瓷的力学性能
陶瓷材料硬度高
→陶瓷材料耐磨性好
→陶瓷材料可以制作刀具
50100150200250300350400450几种典型陶瓷材料的弹性模量与不锈钢材料的对比图
弹性模量/G P a
力学性能特点2
高弹性模量
陶瓷材料高弹性模量
陶瓷材料
硬度弹性模量熔点
变化规律具有一致性
是其主晶相结合键能高低的外在反映
弹性模量高→零件/构件的刚度好
氧化铝机械加工精度高
加工前加工中加工后
不锈钢加工过程后发生挠曲变形，精度无法保证
金属材料与陶瓷材料的应力-应变曲线(示意图)应力
应变
陶瓷
金属
力学性能特点3
无塑性变形，断裂强度低
陶瓷材料室温下拉伸时没有塑性变形→脆断
人们常说的陶瓷强度，主要指它的断裂强度
陶瓷材料的实际断裂强度和理论断裂强度对比
材料理论值/MPa实测值/MPa理论/实测强度比值Al2O3(蓝宝石)4900063077.0
Si3N4(热压)3770098038.5
SiC(热压)4800093051.5 Si3N4(反应烧结)37700290130.5
奥氏体型钢200003240 6.4
陶瓷材料的实际断裂强度比理论强度低很多
陶瓷材料实际断裂强度低的原因
•存在不规则形状的气孔，相当于裂纹
•内部组织结构复杂、和不均匀性
2004006008001000120014001600几种典型陶瓷材料的抗弯强度
抗弯强度/M P a
陶瓷材料的强度，一般采用抗弯强度(弯曲强度)和抗压强度(压缩强度)表示
采用三点弯曲测试抗弯强度示意图
力学性能特点4
低抗压强度高，抗弯强度低
几种典型陶瓷材料的抗压强度
抗压强度/M P a
碳钢
铸铁
高速钢
氧化铝(A479)单晶蓝宝石(SA100)
金属陶瓷(TC30)0
1000200030004000
•陶瓷材料抗压强度高，为抗拉强度的10~40倍•陶瓷材料承受压应力的能力大大超过拉应力的能力
抗压强度测试示意图
•陶瓷材料抗压强度比金属（碳钢）高
力学性能特点5
冲击韧性、断裂韧性低
陶瓷材料是脆性材料
冲击韧性~10kJ/m2
几种材料的断裂韧性
材料K IC/MPa∙m1/2不锈钢(SUS304)210
45钢90
球墨铸铁20~40
氮化硅陶瓷 3.5~5
氧化锆7-8
氧化铝(99%)3-4
K IC约为金属的1/60~1/100
物理与化学性能
1 较低的密度
12345678密度/g ∙c m -3
几种典型陶瓷材料的密度与钢的对比图
2 熔点高
一般在2000℃以上，
陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属
3化学稳定性高
•抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化•对酸、碱、盐有良好的抗蚀性
4 热胀系数小
24681012141618几种典型陶瓷材料的热膨胀系数与钢的对比图
膨胀系数X 10-6/K
40~400℃
•随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低•多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料
20406080100120140160几种典型陶瓷材料的热导率与钢的对比图
导热率W /m ∙K
5 热导率受材质和气孔影响大
6具有特殊性能
光学，电学，声学和磁学性能结构陶瓷→功能陶瓷
高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震、耐腐蚀、抗氧化密度小弹性模量大陶瓷材料性能优势
脆性大，韧性差，难加工安全可靠性低
陶瓷材料性能短板
避免服役过程中工况：冲击载荷、大的拉应力
分析服役环境，取长补短可发挥优势工况条件：
高温、高压、强腐蚀、强磨损。