陶瓷材料01

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二、陶瓷材料的性能 1. 力学性能
(1) 弹性模量和硬度
材料 弹性模量/MPa 6.9 1380 72300 硬度/HV
橡胶
塑料 铝合金
很低
~17 ~170
钢
碳化钛
207000
390000
300~800
~3000
金刚石
1171000
6000~10000
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陶瓷的弹性模量的影响因素：
①结合键
②组成相的种类、分布、比例
氧化物的结构及特点：
氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则地分布在 四面体和八面体的间隙之中。
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(2) 非氧化物晶相 金属碳化物 共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。
第一类：间隙相：
TiC、ZrC、VC、NbC和TaC
第二类：复杂碳化物：
斜方结构的Fe3C、Mn3C、Co3C、Ni3C和Cr3C2, 立方结构的Cr23C6、Mn23C6, 六方结构的WC、MoC和Cr7C3、Mn7C3 复杂结构的Fe3W3C
结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料： 金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发 生作用； 对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许 多金属的熔体也不发生作用。
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陶瓷材料的性能特点 (总结)：
优点：具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、 高的硬度和良好的抗压能力， 缺点：脆性很高，温度急变抗力很低， 抗拉、抗弯性能差。
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玻璃相结构特点
硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架
玻璃相成分
氧化硅和其它氧化物
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3. 气相 ①气相是陶瓷内部残留的孔洞； 成因复杂，影响因素多。 ②陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶 瓷和多孔陶瓷。 ③气孔对陶瓷的性能不利 （多孔陶瓷除外）
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气孔率 普通陶瓷：5~10％ 特种陶瓷：≤5％ 金属陶瓷：≤0.5％
高温下： γ-A12O3、 β-A12O3 → α-A12O3
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2. 氧化铝陶瓷的性能及应用
表：常用Al2O3陶瓷的性能 (A3S2: 3Al2O3· 2SiO2)
名称及牌号 性能 主晶相 密度/ g•cm-3 弯曲强度 / MPa 膨胀系数 /×10-6℃-1
A3S2, αAl2O3
莫来石瓷
刚玉-莫来石瓷 75瓷 α-Al2O3, A3S2 3.2~3.4 250~300 5.0~5.5 － 1360±10 >3.40 300 － 16.8 － 3.50 90瓷 95瓷
陶 瓷 材 料
特种陶瓷
利用人工合成原料制成的陶瓷(新 型陶瓷或现代陶瓷)
特 种 陶 瓷
结构陶瓷(工程陶瓷)
功能陶瓷
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现代陶瓷——各种无机非金属材料 新型无机非金属材料(advanced inorganic materials) 先进陶瓷(advanced ceramics) 精细陶瓷(fine ceramics) 高科技陶瓷(high-tech ceramics) 高性能陶瓷(high performance ceramics) 特种陶瓷(special ceramics) 工程陶瓷(engineering ceramics)
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2. 玻璃相
玻璃相产生过程
陶瓷坯体在烧成过程中，由于复杂的物理化学反应，产生不均 匀(不平衡)的酸性和碱性氧化物的熔融液相。冷却时在玻璃转变 温度粘度增大到一定程度时, 熔体硬化，转变为玻璃。
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玻璃相作用
粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；
降低烧成温度，加快烧结； 阻止晶体转变，抑制其长大； 获得透光性等玻璃特性。 不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介 电性能、耐热耐火性等不利。
第五章 新型工程陶瓷材料
引言
1. 陶瓷材料的含义
陶瓷 陶器、瓷器
玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等
粘土、石灰石、长石、石英
硅酸盐类材料
陶瓷材料主要是指由一种或多种金属与非金 属元素的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物 及硅酸盐所组成的无机非金属多晶材料
传统陶瓷
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陶瓷分类
普通陶瓷
利用天然硅酸盐矿物为原料制成 的陶瓷(传统陶瓷)
板和元件等
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氧化铝热电偶套管
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
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2. 氧化铝复相陶瓷 ①Al2O3为主体，以MgO、NiO、SiO2、TiO2、Cr2O3、Y2O3等氧 化物为添加剂，添加剂加入的主要目的是降低烧结温度或者达 到某些特殊功能方面的要求。 ②Al2O3为主体，以金属Cr、Co、Mo、W、Ti等元素为添加剂；
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第二节 氧化物陶瓷
一、氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷又称刚玉瓷，是用途最广泛，原料最丰富，价格最低 廉的一种高温结构陶瓷。 工业上所指的氧化铝陶瓷一般是指以α -Al2O3为主晶相的陶瓷材 料 分类：
Al2O3含量——75瓷，85瓷，95瓷和99瓷等不同牌号；
主晶相——莫来石瓷、刚玉－莫来石瓷和刚玉瓷； 添加剂——铬刚玉、钛刚玉等； 各自对应不同的应用范围和使用温度。
③Al2O3 为主体，以WC、TiC、TaC、NbC比和Cr3C2 等碳化物作 为添加剂；
④在Al2O3、或Al2O3 + TiC、Al2O3 + 氮化物(如TiN)、Al2O3 + 硼 化物(如TiB)中加入SiC晶须。
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表：热压Al2O3及几种复相陶瓷的物理机械性能
主要物理机械性能 密度/ g•cm-3 熔点 / ℃ 弯曲强度 / MPa 冷压烧 结Al2O3 3.4~3.99 2050 280~420 热压烧结 Al2O3 + Me 5.0 － 900 热压烧结 Al2O3 + TiC 4.6 － 800 热压烧结 Al2O3 + ZrO2 4.5 － 850 热压烧结 Al2O3 + SiC(W) 3.75 － 900
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氮化物
氮化物的结合键与碳化物相似，含有一定程度的离子 键。
硼化物和硅化物 较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单 元。
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(3) 硅酸盐晶体相 普通陶瓷的主要原料，结合键：离子键、共价键 ①构成硅酸盐的基本单元：硅氧四面体结构 ②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结
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陶瓷相变的相图→陶瓷配方、烧结温度
高性能结构陶瓷的发展趋势： (1)单相陶瓷向多相复合陶瓷发展。当前结构陶瓷的研究与开发 已从原先倾向于单相和高纯的特点向多相复合的方向发展。其 中包括纤维(或晶须)增强的陶瓷基复合材料；异相颗粒弥散强化 的复相陶瓷；自补强复相陶瓷，也称为原位生长复相陶瓷；梯 度功能复合陶瓷和纳米复合陶瓷。 例如， C纤维/ 锂铝酸盐 (LAS) 复合材料具有高达 20.1MPa· m0.5 的 断裂韧性； SiC-TiC纳米复合陶瓷的断裂韧性可达 16MPa· m0.5 ， 与铸铁的韧性相当； A12O3/SiC 纳米复合陶瓷在 l100℃ 仍保持
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1. 晶体结构 (1) α-A12O3：热力学上稳定的A12O3晶型。 (2) γ-A12O3：立方尖晶石结构，氧原子为面心立方，铝原子填 充在间隙中；密度低，机械性能差，高温不稳定。
(3) β-A12O3：一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物，它的化学 组成可以近似地用RO· 6Al2O3和R2O· 11 Al2O3来表示(RO指 碱土金属氧化物，R2O指碱金属氧化物) 。
1500MPa的高强度。
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(2)微米陶瓷向纳米陶瓷发展。结构陶瓷的研究与开发正在从目
前微米级尺度(从粉体到显微结构)向纳米级尺度发展。其晶粒尺 寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸以及缺陷尺寸都属于纳 米量级，为了得到纳米陶瓷，一般的制粉、成型和烧结工艺已 不适应，这必将引起陶瓷工艺的发展和变革，也将引起陶瓷学 理论的发展乃至建立新的理论体系，以适应纳米尺度的需求。
结构陶瓷:
若按使用领域分类可分为：机械陶瓷；热机陶瓷；生物陶瓷； 核陶瓷及其他。
若按化学成分分类可分为：氧化物陶瓷；氮化物陶瓷；碳化物 陶瓷；硼化物陶瓷；其他结构陶瓷。 4
新型无机非金属材料与经典硅酸盐材料的主要区别：
(1)材料的组成已超出了硅酸盐的范围，包括纯氧化物、复合氧 化物、硅化物、碳化物、硼化物、硫化物以及各种无机非金属 化合物、经特殊的先进工艺制成的材料和单质。 (2)在应用上，已由原来主要利用材料所固有的静态物理性状， 发展到利用各种物理效应和微观现象的功能性，并在各种极端 条件下使用。 (3)在制备的工艺方法方面有了重大的改进和革新，制品的形态 也有了很大的变化，由过去以块状为主的状态向着单晶化、薄 膜化、纤维化、复合化的方向发展。 进入20世纪90年代，陶瓷的发展正面临着第三次飞跃，即 从先进陶瓷到纳米陶瓷。 人们预期陶瓷科学将在这方面取得重大突破，制备出许多 不同于先进陶瓷的纳米陶瓷材料。 5
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陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高， 抗压强度很高。
(3) 塑性 陶瓷在室温下几乎没有塑性
陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大；
共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥 力很大；
在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现 出一定的塑性。
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(3) 韧性 非常典型的脆性材料
(3) 由经验式研究向材料设计发展。由于陶瓷科学的发展，高性
能结构陶瓷的研究已经摆脱以经验研究为主导的方式，而步入 了按使用和性能上的要求对陶瓷材料进行剪裁和设计的阶段
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2. 陶瓷材料的结合键
陶瓷材料的结合键：离子键、共价键 一价、二价金属氧化物：离子键>共价键 MgO，离子键84%，共价键16% 三价、四价的氧化物、氮化物、碳化物： 离子键≤共价键
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氧化铝陶瓷的性能特点及应用 化学性质稳定、机械强度高——金属熔炼坩埚、理化器皿、 炉管、热电偶保护管；耐酸泵叶轮、泵体、泵盖；输送酸的 管道内衬和阀门等。 高硬度和耐磨性——工具(刀具)、模具、拔丝模的耐磨性。 冷等静压成型制造的高密度Al2O3陶瓷——发动机的火花塞。 电绝缘性能和较低的介质损耗 ——微波电解质，雷达天线罩， 超高频大功率电子管支架、晶体管底座，大规模集成电路基