第六章 陶瓷材料
陶瓷材料概述范文
陶瓷材料概述范文陶瓷材料是一种非金属无机材料，其主要成分为氧化物、非氧化物和组合材料。
陶瓷材料具有许多独特的性质，如高温耐性、耐腐蚀性、绝缘性、硬度高等，因此被广泛应用于工业、冶金、化工、电子、建筑等领域。
陶瓷材料根据其结构与用途可分为三类：普通陶瓷、特种陶瓷和结构陶瓷。
普通陶瓷是最基本的一种陶瓷材料，由黏土和瓷石等原料烧结而成。
普通陶瓷具有较低的价格和良好的加工性能，广泛应用于建筑材料、制陶工业、机械工业等。
常见的普通陶瓷有砖瓦、瓷器等。
特种陶瓷是一类性能优良、用途特殊的陶瓷材料。
特种陶瓷的特点是高温稳定性、耐磨性和电绝缘性能的提高。
根据其化学成分和结构特点，特种陶瓷可分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和复合陶瓷。
氧化物陶瓷包括金刚石（碳化硅）陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，主要用于高温热工业、电子工业、机械制造业等。
非氧化物陶瓷主要包括硼化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等，具有高硬度、耐磨性、导热性能等，广泛应用于航空航天、电子、光学等领域。
复合陶瓷由两种或多种不同材料组成，具有更加优良的性能，例如碳化硅纤维增强碳化硅（C/C）复合陶瓷材料广泛应用于高温结构部件。
结构陶瓷是一类性能优异的陶瓷材料，具有高强度、低密度和良好的耐磨性能。
结构陶瓷主要用于制造高压磨料工具、轴承等机械结构部件。
常见的结构陶瓷有氮化硼陶瓷、氧化铝陶瓷等。
陶瓷材料还具有许多其他特殊的性能，如生物相容性、超导性、光学透明性等。
在现代科技的发展中，陶瓷材料发挥着重要的作用。
例如，陶瓷瓦片用于建筑中的防水、隔热层；陶瓷杯用于食品和饮料的容器；陶瓷电容用于电子器件中的储能等。
陶瓷材料的应用领域不断扩大，对于人类社会的发展与进步具有重要的推动作用。
总之，陶瓷材料是一类非金属无机材料，具有独特的性质和广泛的应用领域。
普通陶瓷、特种陶瓷和结构陶瓷是其主要分类。
陶瓷材料在工业、冶金、化工、电子、建筑等领域起到重要的作用，对于促进社会进步和技术发展具有重要意义。
第六章 陶瓷基复合材料
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3、化学气相浸渗法 (Chemical Vapor Infiltration，简称CVI法）
定义：
反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发
生化学反应，形成陶瓷固体沉积在预制体表面，使预
制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。
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CVI的突出优点是：
能在较低温度进行高温材料的制备，SiC陶瓷的烧结温度通常 高达2000℃以上，而采用CVI法则能在900－1100℃的温度下 制备出高纯度的SiC陶瓷：
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CVI法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构
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4、反应性熔体浸渗法 (Reactive Melt Infiltration，简称RMI法)
在采用RMI法制备SiC陶瓷基复合材料过程中， 将Si熔化后，在毛细管力的作用下Si熔体渗入到以 多孔C/C材料内部，并同时与基体碳发生化学反应 生成SiC陶瓷基体。
SiC变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体
结构，一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属
立方晶系，具有半导体特性。
SiC具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐 磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
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4、玻璃陶瓷（glass-ceramics）
某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含
抗弯强度MPa
弹性模量Gpa 断裂韧性K1C，MPam1/2
473±30
247±16 3.7±0.7
454±42
188±18 15.6±1.2
热膨胀系数
(室温-1000℃)10-3/℃
4.62
2.51
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（3）纤维/碳化硅陶瓷基复合材料 SiC基CMC的密度2～2.5g/cm3，仅为高温合金和铌
第六章-陶瓷的加工及改性
放电间隙示意图
电火花加工必须具备以下几个条件：
（1）放电必须是瞬时的脉冲性放电。 （2）火花放电必须在有较高绝缘强度的介质中进行。 （3）要有足够的放电强度，以实现金属局部的熔化和气化。 （4）工具电极与工件被加工表面之间要始终保持一定的放电间隙
绝缘陶瓷的电火花放电加工原理示意图和高速电火花穿孔机原理示意图如下图所示
电火花加工示意图
二、陶瓷材料的切削加工
（1）选择切削性能优良的新型切削刀具
（2）选择合适的刀具几何参数
（3）切削用量的选择
（4）设计的专用夹具、缓冲震动、施冷却润滑
6.1.2 陶瓷的机械磨削加工 一、磨磨削机理
① 材料脆性剥离是通过空隙和裂纹的形成或延展、剥落及碎裂等方式来完成的 ② 在晶粒去除过程中，材料是以整个晶粒从工件表面上脱落的方式被去除的。 ③ 陶瓷和金属的磨削过程模型如右图。金属材料依靠剪切作用产生带状或接近带状的切屑，而磨削陶瓷时，材料内部先产生裂纹，随着应力的增加，间断裂纹的逐渐增大，连接，从而形成局部剥落。
激光加工原理示意图
6.2.3 激光加工（laser machining）
超声波磨削加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。加工原理如图所示。
超声波加工机理
6.2.4 超声波加工（ultrasonic machining）
特点：
（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不 导电的非金属材料
釉料的性质及制备工艺
6.2.4釉的硬度和光泽度
1.硬度
• 硬度是一种材料抵抗另一种材料压入、划痕或磨损的能力。 表征材料表层的强度，看成表层产生塑性变形或破坏所需的 能量。 影响因素： 1）釉层化学组成：釉面硬度取决于釉层化学组成，组成玻 璃网络的SiO2 、B2O3提高硬度。由于硼反常现象，用B2O3 代替釉中SiO2时，若B2O3 ＜15％，随着B2O3的增加，釉的 硬度不断增大；若B2O3 ＞15％，则釉的强度会降低。 2）矿物组成、显微结构：釉层析出硬度大的微晶，并高度 分散在釉面上，则硬度明显增加，尤其析出针状晶体，效果 更显著。 提高硬度的晶体：锆英石、锌尖晶石、镁铝尖晶石、金红石、 莫来石、硅锌矿等。 因此，乳浊釉和无光釉的耐磨性比透明釉高。
• 酸度系数是指釉（坯）中酸性氧化物与碱性氧化物之比。
• C.A= RO2 R2O+RO+3R2O3
• 式中：RO2 酸性氧化物摩尔数； • R2O+RO+3R2O3 碱性氧化物摩尔数。
6.4.3 合理选择釉用原料
配釉要用天然矿物原料，也要用化工原料，以便调整好釉浆 的性能及很好的适应坯体。 原料选择注意下列问题： 1）制釉原料要求纯度高，并与其它原料分开贮存，以免杂 质混入； 2）采用不溶解于水的原料，避免釉浆组分被坯体吸入，影 响其性质；
4.按釉料的制备方法分类 • (1) 生料釉—所用的全部原料都不经过预先熔制，直接加 水调制成浆。 • (2) 熔块釉—此釉在制浆前，先将部分原料熔成玻璃状物 质并用水淬成小块(熔块)，再与其余原料混合研制成釉浆。 • (3) 熔盐釉—此釉不须事先制备，而是在产品煅烧至高温 时，向窑内投入食盐、锌盐等挥发物，使与坯体表面作用 形成薄层玻璃物质。如果坯料中含有一定量的Fe2O3和 CaO，则由于不同气氛，可获灰、黄至棕红色釉层。 • (4) 土釉—此釉是采用天然有色粘土，经淘洗后直接作为 釉料使用。 5.按显微结构和釉性状的分类 • 透明釉—无定形玻璃体； • 晶质釉—乳浊釉、析晶釉、砂金釉、无光釉； • 熔析釉(液相分离釉)—乳浊釉、铁红釉、兔毫釉等。 • 所以，同为一种釉，由于分类方法不同可同时具有几种名 称。
什么是陶瓷材料
什么是陶瓷材料陶瓷材料是一种非金属的无机材料，它们通常是由氧化物、硼化合物、氮化合物和碳化合物等构成的。
陶瓷材料因其独特的性能和广泛的应用而备受关注，被广泛应用于建筑、电子、化工、医药、航空航天等领域。
接下来，我们将深入探讨陶瓷材料的特性、分类以及应用。
首先，陶瓷材料具有优异的耐高温性能。
由于其晶格结构的稳定性，陶瓷材料在高温环境下能够保持其物理和化学性质，因此被广泛应用于高温工艺和高温设备中。
其次，陶瓷材料还具有优异的耐腐蚀性能。
由于其化学稳定性和惰性表面，陶瓷材料对酸、碱、盐等化学介质具有良好的抵抗能力，因此在化工、医药等领域中得到广泛应用。
根据其成分和性质的不同，陶瓷材料可以分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和复合陶瓷。
氧化物陶瓷是指以氧化物为主要成分的陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆等。
这类陶瓷具有优异的绝缘性能和耐磨性，常用于电子、机械等领域。
非氧化物陶瓷是指以硼化合物、氮化合物和碳化合物为主要成分的陶瓷材料，如碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等。
这类陶瓷具有优异的硬度和耐磨性，常用于刀具、轴承等领域。
复合陶瓷是指将不同类型的陶瓷材料复合而成的材料，具有综合性能优异的特点，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。
在实际应用中，陶瓷材料有着广泛的用途。
在建筑领域，陶瓷材料常用于装饰材料、地板砖、卫生洁具等；在电子领域，陶瓷材料常用于制作电子元器件、陶瓷电容器等；在化工领域，陶瓷材料常用于制作化工设备、化工管道等；在医药领域，陶瓷材料常用于制作人工关节、牙科修复材料等；在航空航天领域，陶瓷材料常用于制作航天器件、航空发动机部件等。
总之，陶瓷材料以其优异的性能和广泛的应用领域，成为了现代工业中不可或缺的重要材料之一。
随着科技的不断进步和创新，相信陶瓷材料将会在更多领域展现出其独特的魅力，为人类社会的发展做出更大的贡献。
《陶瓷工艺原理》学习指南
学习指南一、课程基本情况、性质、研究对象和任务总学时：64学时。
其中，课堂教学：57学时，实验教学：7学时。
先修课：《材料科学基础》、《材料物理性能》《陶瓷工艺原理》是材料科学与工程专业复合材料方向本科生的必修课，其它专业方向的限定选修课。
本课程主要讲述陶瓷原料、粉体的制备与合成、坯体和釉的配料计算、陶瓷坯体的成型及干燥、陶瓷材料的烧结、陶瓷的加工及改性等。
目的在于使学生熟悉陶瓷生产中共同性的工艺过程及过程中发生的物理—化学变化，掌握工艺因素对陶瓷产品结构与性能的影响和基本的实验技能，能够从技术与经济的角度分析陶瓷生产中的问题和提出改进生产的方案，为毕业后从事专业工作打下必要的基础。
本课程重视“理论基础与工程实践并重”的课程教学体系及科研促进教学的教学方法，从而增强学生理论基础的实践性应用能力，既重视学生“应知应会”的陶瓷材料的设计、制备工艺、测试表征与应用的基础理论，又强调综合性、设计性、开放性、创新性实验教学，加强学生实验动手训练和设计能力培养，倡导学生创业能力的训练。
学完本课程应达到以下基本要求：1．熟练掌握陶瓷主要原料的性能、用途，掌握部分新型陶瓷原料的性能、用途，对其它原料的性能和用途有所了解。
2．熟练掌握陶瓷制品的生产工艺流程，以及一些新型的工艺技术。
3．掌握陶瓷制品的化学组成、显微结构和产品性能之间的相互关系。
正确理解工艺因素对陶瓷制品显微结构和性能的影响。
4．掌握陶瓷生产的基本实验方法，并能对陶瓷制品的性能进行分析。
二、教材及多媒体课件说明1教材：《陶瓷工艺学》，张锐主编，化学工业出版社，2007。
本教材内容精炼、结构合理、理论性强。
由于计划学时有限，不可能在课堂上对教材所有内容一一进行详细讲解。
因此，学生应该抓住每章节的重点、难点，搞清分析问题、解决问题的基本思路，并注意寻找同类问题间的内存规律。
真正做到举一反三，将问题由“繁”变“易”，将课本由“厚”读“薄”。
2多媒体课件：陶瓷工艺学多媒体教学课件是本校材料基础学科组集体创作的，它综合了图、文、声、像、二维图形、三维动画等多种媒体手段，经科学、合理的重组、整合、加工，构筑了一种虚拟实际场景的教学氛围。
化学功能材料 第六章 特种陶瓷
电工瓷——电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷
化学化工瓷——化工、制药、食品等工业 及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿
2．特种陶瓷—— 讨论内容
是以纯度较高的人工合成化合物为主要原 料的人工合成化合物。
选用高度精选的原料，具有能够精确控制化 学组成，按照便于控制的制造技术加工，具有 优异性能的陶瓷。
超导陶瓷
一、超导的概念
什么叫超导（superconduct） ？
超级导电，电阻几乎为零。
1911年荷兰物理学家Onnes（ 翁尼斯）首次观察到超导现象： 汞冷却到热力学4K（-269℃，液 态氦（He）冷却）时汞的电阻为 零。
二、超导体的特性
1、完全导电性 当温度下降至某一数值或以下时，超导体的电阻突然
将具有可塑性的泥 料，通过挤机嘴成形。
6．轧膜成型
将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于轧辊上混炼 ，使之混合均匀，吹风使溶剂挥发，形成一层 厚膜；调整轧辊间距，反复轧制，可制得薄片 瓷坯。
四、陶瓷烧结
使陶瓷达到所要求的物理性能和力学性能 宏观：体积收缩，密度增大，气孔减少 微观：颗粒中心靠近，气孔排出，（相变）、晶粒长大
三、陶瓷的成型工艺
陶瓷制备方法的特点：
1)金属的一般制备方法： 铸锭——压力加工——型材——机械加工——成品
2）陶瓷的一般制备方法： 粉末——成型——烧结——（加工）——成品 材料产品一次完成
目的：用模具或工具制成一定形状或尺寸的坯体，并 要求有一定的密度和强度。
1．模压成型（水6-8%） 半干压成型 模压成型是将混合料加入到模具中，在压力
每个氧原子最多只 有被两个[SiO4]所共有；
Si-O-Si的键角为1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5℃;
第六章 陶瓷基复合材料
2）化学气相沉积（CVD）法 化学气相沉积（CVD）
具有贯通间隙的增强体坯件或纤维编织骨 架中沉积陶瓷基体制备CMC。 架中沉积陶瓷基体制备CMC。化学气相沉积 工艺过程原理图。 工艺过程原理图。 优点：纤维受到的机械、化学损伤小，可 优点：纤维受到的机械、化学损伤小，可 以制备多向排布和编织和复杂形状的CMC； 以制备多向排布和编织和复杂形状的CMC； 缺点：生产周期长、效率低、成本高，难 缺点：生产周期长、效率低、成本高，难 以制备高致密性的CMC。 以制备高致密性的CMC。
原位生长晶须补强CMC成型工艺 原位生长晶须补强CMC成型工艺 方法：通过化学反应在陶瓷基体中原位生成 补强组元（晶须）。
6.3.3 颗粒弥散型CMC的成型工艺 颗粒弥散型CMC的成型工艺
基本过程：颗粒弥散型CMC的增强材料和 基本过程：颗粒弥散型CMC的增强材料和 基体的原料均为粉料，因此混料方法多采 用球磨。 混合料干燥 先成型为坯件 烧结。 烧结方法：常压烧结工艺和反应烧结。 烧结方法：常压烧结工艺和反应烧结。
6.3.2 晶须（短纤维）补强CMC成型 晶须（短纤维）补强CMC成型 工艺
①
外加晶须（短切纤维）补强CMC成型工艺 外加晶须（短切纤维）补强CMC成型工艺 制备过程：晶须（短切纤维）分散、晶须 （短切纤维）与基体原料混合、成型烧结。 成型方法：压力渗滤法、烧结法、先驱体热 解法和化学气相沉积法
②
本章小结
了解CMC的类型； 了解CMC的类型； 掌握CMC性能特点和影响的因素； 掌握CMC性能特点和影响的因素； 了解CMC成型工艺方法； 了解CMC成型工艺方法； 了解CMC的应用领域。 了解CMC的应用领域。
4）先驱体热解法
方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其 方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其 粘度，在高压粘度，在高压-真空联合作用下使其浸渗进入 并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使 先驱体热解。热解时低分子产物从坯件中逸出， 留在空隙间的产物即形成陶瓷基体。 优点：热解温度< 优点：热解温度<热压烧结温度，可减少界面 的有害化学反应；热解在常压下进行，可以避 免对纤维的机械损伤，可制备形状复杂和尺寸 准确的制品。 缺点：生产周期长，密度< 缺点：生产周期长，密度<热压烧结
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二、常用玻璃的种类、特点及主要用途
（5）夹层玻璃它是将两片以上浮法玻璃用聚 乙烯醇缩丁醛塑料衬片粘合而成。
受到破坏产生辐射状 或同心圆裂纹用于汽车的前窗玻璃、来自高层建筑的门窗、航空 用的安全玻璃
请为你的爱车选择车窗玻璃
防弹玻璃
实际上是夹层玻璃的一种，是由多层玻 璃叠合，制成总厚度一般在20mm以上。
第六章 陶瓷材料
学习目标： 熟悉特种陶瓷的性能特点、改
善性能的途径和应用。 对其它陶瓷材料作一般了解。
陶瓷材料
● 定义：传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类 材料，如陶器和瓷器，也包括玻璃、搪 瓷、耐火材料、砖瓦等； 现今意义上，陶瓷材料是指各种无 机非金属材料的通称。 ● 分类：按用途通常分为普通陶瓷和特 种陶瓷两大类。
一、玻璃的性能
1、弹性模量大、抗压强度高，硬而脆 2、耐热性很差 3、对酸、碱有较强的耐腐蚀性，但氢氟酸 对它有较强的腐蚀性 4、固态有良好的绝缘性能，液态有良好的
导电性能
5、具有良好的透明性和折光性
二、常用玻璃的种类、特点及主要用途
玻璃的种类繁多，按其化学组成的不同可分为： 钠玻璃、钾玻璃、铅玻璃、铝镁玻璃、硼硅玻 璃和石英玻璃等。按用途的不同，玻璃还可分 为：建筑玻璃、工业玻璃、光学玻璃、化学玻 璃及玻璃纤维等。其中建筑玻璃有平板玻璃、 波纹玻璃、玻璃砖和异形玻璃构件；工业玻璃 有泡沫玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、 中空玻璃以及磨光玻璃等；而平板玻璃又有一 般窗用玻璃、压花玻璃、磨砂玻璃、彩色玻璃 和浮法玻璃的种类。
破碎后形成小而 无棱角的碎片
钢化玻璃主要用于高层建筑的门窗、厂房的天窗、 汽车、火车、船舶的门窗和汽车的侧窗、后窗玻璃
二、常用玻璃的种类、特点及主要用途
（4）局部钢化玻璃 对玻璃周边进行局部 淬火，而中部不淬火
破碎后周边形成小 而无棱角的碎片
破碎后中部形成 大块而有棱角的
碎片
用于汽车的侧窗、后窗玻璃
浮法玻璃是经锡槽浮抛成型的高质量平板玻璃。
特点：表面平整、无波纹，光学性质比一般平板 玻璃好。
多用于制作橱窗及高级建筑的门窗、汽车的夹层 玻璃。
二、常用玻璃的种类、特点及主要用途
（3）钢化玻璃 经过高温淬火处理的特种玻璃， 即将普通玻璃加热到一定温度后，迅速冷却进行 特殊钢化处理。其性能特点是具有很高的温度急 变抵抗能力，强度也较高。
由化工原料制成
（二）特种陶瓷
的具有很多优异 性能的陶瓷
1.氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷的主要成分是A12O3，又称为刚玉 瓷。它具有高硬度，高温强度高，有良好的耐 磨性、绝缘性和化学稳定性。但抗热振性能差， 不能承受温度的突变。由于它优异的综合性能， 使其成为应用最广泛的高温陶瓷。主要用于制 造刀具、坩埚、热电偶的绝缘套管等。
碳化硅陶瓷是目前高温强度最高的陶瓷，它在 1400℃的高温下仍能保持500～600MPa的抗弯强 度。常用于火箭尾喷嘴、燃气轮机的叶片、核燃 料的包装材料等，也可制作耐磨密封圈。
气体点火器
第二节 玻璃
玻璃是无固定熔点的受热软化的非 晶态固体材料。以石英砂、纯碱、 长石、灰等为主要原料，并加入某 些金属氧化物等辅料，在高温窑中 煅烧至熔融后，经成形、冷却所获 得的非金属材料。
要求较高的防弹玻璃总厚度可达在 50mm以上。
氧化铝陶瓷在汽车中的典型用途为火花塞绝缘体、 排气净化器、发动机缸盖底板、缸套、活塞顶
氧化铝陶瓷在汽车中的应用实例
火花塞
缸套及 活塞
活塞环
2·氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷的显著特点是抗热振性能好， 具有自润滑性优异的电绝缘性。常用作 高温轴承、耐蚀水泵密封环等。
摇臂陶瓷镶块
陶瓷涡轮叶轮
3．碳化硅陶瓷
第一节 常用工业陶瓷
一、陶瓷材料的性能 1、弹性模量大、抗压强度高，硬而脆 2、熔点高耐热性好，热膨胀系数和导热系
数小，但抗热振性很差
3、抗氧化性好，不会发生老化 4、大多为电绝缘体
二、常用工业陶瓷
以粘土、长石、英等天
然原料为主，经粉碎、
（一）普通陶瓷 成形、烧结工艺制成的 制品
卫生陶瓷
日用陶瓷
二、常用玻璃的种类、特点及主要用途
（1）平板玻璃 平板玻璃通常是指窗用 平板玻璃，又称镜片玻璃。在日常生活中 随处可见。
（2）磨砂玻璃 通常又叫毛玻璃。它是对 平板玻璃进行表面磨砂处处理而得到的。 其主特点是透光不透明，常用于制作浴室、 卫生间门窗等，还可用于制作灯罩、黑板 面等。
二、常用玻璃的种类、特点及主要用途