高温结构陶瓷分类
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）。
结构陶瓷
按功能，材料分为结构材料和功能材料两大类。 按功能，材料分为结构材料和功能材料两大类。 结构材料 两大类 一种材料主要利用其力学功能时 一种材料主要利用其力学功能时，这种材料被称为 力学功能 结构材料。 结构材料。 如果主要利用其非力学性能时，则被称为功能材料。 如果主要利用其非力学性能时 则被称为功能材料。 非力学性能 力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等 力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等； 强度 而非力学性能主要指声 而非力学性能主要指声、电、光、磁、热和化学等。 热和化学等
3. 1. 2 氧 化 锆 陶 瓷
氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一种很 重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能 如它的断裂韧性高 重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能(如它的断裂韧性高 于氧化铝陶瓷)，因而越来越受到人们的重视。 于氧化铝陶瓷 ，因而越来越受到人们的重视。 在自然界，含锆的矿石，主要有两种，即斜锆石 在自然界，含锆的矿石，主要有两种，即斜锆石(ZrO2)和 和 锆英石(ZrO2·SiO2)。工业氧化锆主要是由含锆矿石提炼出来的。 锆英石 。工业氧化锆主要是由含锆矿石提炼出来的。 高纯ZrO2为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。 为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。 高纯 ZrO
二、氧化铝粉末的制备
氧化铝在地壳中藏量丰富，约占地壳总质量的 氧化铝在地壳中藏量丰富，约占地壳总质量的25%，价 ， 格低廉，性能优良。地壳中的 是以铝土矿的形式存在， 格低廉，性能优良。地壳中的Al2O3是以铝土矿的形式存在， 即一水铝石和三水铝石的形式存在，其中含有 即一水铝石和三水铝石的形式存在，其中含有SiO2、Fe2O3、 TiO2等杂质。 等杂质。 拜尔（ 拜尔（Bayer）法 ） 是工业生产Al 是工业生产 2O3 的主要方法。 的主要方法。
高温结构陶瓷
• 由于SIC陶瓷高温强度大，高温蠕变小，硬 度高、耐磨、耐腐蚀、耐氧化以及热稳定 性好，所以它是1400℃以上良好的高温结 构陶瓷材料，在许多领域都有广泛的应用。 在航天航空上主要用于发动机燃料燃烧构 件方面（涡轮增压器转子、燃气轮机叶片 以及火箭喷嘴）。
美国F-22生产车间
航天轴承
四、我国现状及应用前景
三、在航天航空上的应用
• 材增加运载能力，提 高机动性能，加大飞行距离或射程，减少 燃油或推进剂的消耗。 • 比强度＝σ/ρ • 比刚度＝E/ρ
航天航天材料的要求
• • • • 1、航空航天材料—优良的耐高低温性能 2、航空航天材料—耐老化和耐腐蚀 3、航空航天材料—适应空间环境 4、航空航天材料—寿命和安全 4
end！ The end！
制作人：贺育武
利用氧化锆相变作用增韧氧化物陶瓷在 20世纪70年代末获较大进展，氧化锆增韧 氧化铝，断裂韧性参数由2.9MPa/m2提高 到 15MPa/m2，抗折强度由 350MPa提高 到1200MPa。加有氧化钇的半稳定氧化锆， 断裂韧性参数也高达 9～16MPa/m2。增韧 氧化物陶瓷可用于制造锤子、水果刀、剪刀、 轴和发动机部件等，可以承受一定冲击而不 碎裂。高温氧化物陶瓷可用作高温炉衬，熔 炼稀有金属和纯金属的坩埚，以及磁流体发 电装置的高温电极材料和热机材料。
高温结构陶瓷
一、高温结构陶瓷简介 二、高温结构陶瓷分类 三、SIC陶瓷在航天航空上的应用 四、我国现状及前景
一、简介
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。
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→Si3N41．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。
6.1高温结构材料汇总
与前面学过的尖晶石的形成过程类似，在金
属表面形成氧化物后，能否继续向内部扩展，取
决于氧原子穿过表面氧化膜的扩散速度，而此速
度取决于温度和表面氧化膜的结构。
以铁的氧化为例来看一下金属的氧化过程。通常铁 能与氧形成FeO，Fe3O4，Fe2O3等一系列氧化物。 570℃以下，铁表面形成的是构造复杂的Fe3O4， Fe2O3氧化膜，氧原子难以扩散，这种氧化膜起着减 缓进一步氧化、保护内部的作用，但温度高于570℃， 氧化物中除了Fe3O4，Fe2O3氧化膜外，还增加了FeO 成分，而FeO晶格结构很疏松，所以为了阻止进一步
的氧化，必须设法阻止FeO的形成。
改进的方法:
在钢中加入对氧的亲和力大于铁的Cr，Si，Al
等，可优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3、
SiO2等氧化物保护膜，从而可以提高钢的耐热性。
超耐热合金的发展过程：
50年代前后，钴基合金（较高的耐用温度） →50年代后期，镍基合金（合金体为稳定的面心 立方结构）→高温合金中镍含量越来越高，可以
（2)非氧化物陶瓷
•碳化硅：
高温强度大（～1400℃
•氮化硅： 高化学稳定性；
500～600MPa）；
高温结构件（炉管、火箭尾管喷嘴）。
耐蚀、耐磨材料（赛隆刀具）。
•氮化硼：
耐热、绝缘性好；
高温结构元件及刀具等。
氮化硅陶瓷
氮化硅基陶瓷具有密度小、高强、高硬、高韧 性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、自润滑、 隔热、电绝缘等一系列优良性能。 Si3N4基陶瓷球轴承 氮化硅陶瓷部件
提高使用温度、延长高温下的使用时间、并减
轻质量。
习惯上，将含镍25%-60%及含铁的高温合金
称为铁镍基高温合金。
陶瓷材料分类
陶瓷材料分类一、陶瓷的概述陶瓷是一种重要的无机非金属材料，具有高硬度、高耐磨性、高温稳定性和化学稳定性等优点。
根据其成分和性质的不同，陶瓷可以分为多种不同的类型。
二、陶瓷的分类方式根据陶瓷材料的成分、结构和应用等方面的不同，可以将陶瓷材料进行以下分类。
1. 按成分分类（1）氧化物陶瓷：由氧化物组成的陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆等。
（2）非氧化物陶瓷：由非氧化物组成的陶瓷材料，如碳化硅、氮化硼等。
2. 按结构分类（1）结晶性陶瓷：具有规则的晶体结构，如氧化铝陶瓷。
（2）非晶性陶瓷：没有规则的晶体结构，如玻璃陶瓷。
3. 按应用分类（1）结构陶瓷：用于制造机械零件、航空航天部件等的陶瓷材料，如氧化锆陶瓷。
（2）电子陶瓷：用于制造电子器件的陶瓷材料，如氧化铝陶瓷。
（3）生物陶瓷：用于医疗器械和人工骨骼等的陶瓷材料，如氧化锆陶瓷。
三、常见陶瓷材料分类1. 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷是一种常见的结构陶瓷材料，具有高硬度、高耐磨性、高绝缘性和耐高温等特点。
由于其良好的性能，氧化铝陶瓷被广泛应用于制造机械零件、电子器件和耐火材料等领域。
2. 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷是一种结构陶瓷材料，具有高硬度、高强度和耐磨性等特点。
由于其优异的性能，氧化锆陶瓷被广泛应用于制造航空航天部件、人工骨骼和医疗器械等领域。
3. 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷是一种非氧化物陶瓷材料，具有高硬度、高耐磨性和耐高温等特点。
由于其出色的性能，碳化硅陶瓷被广泛应用于制造切割工具、研磨材料和耐火材料等领域。
4. 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷是一种非氧化物陶瓷材料，具有高硬度、高导热性和化学稳定性等特点。
由于其优良的性能，氮化硼陶瓷被广泛应用于制造切割工具、研磨材料和高温工具等领域。
5. 玻璃陶瓷玻璃陶瓷是一种非晶性陶瓷材料，具有良好的透明性、耐热性和耐腐蚀性等特点。
由于其特殊的结构和性能，玻璃陶瓷被广泛应用于制造厨具、电子器件和医疗器械等领域。
四、陶瓷材料的发展趋势随着科技的不断进步，陶瓷材料也在不断发展。
先进陶瓷材料第二讲 结构陶瓷材料(I)
金属无机盐 金属有机盐
水解
溶胶
凝胶化 凝胶
煅烧、分散
超微粉体
块体
干燥
陶瓷粉体的制备
基本特点： 均匀性好 纯度高 颗粒较小（凝胶颗粒<0.1µm） 易烧结
是制备纳米粉体的一种常用方法
微乳液法
原理
利用双亲性物 质稳定后得到 的水包油或油 包水型分散系
陶瓷粉体的制备
陶瓷粉体的制备
结构陶瓷材料的制备科学
（一）陶瓷粉体的制备
结构陶瓷材料的制备科学
制备科学的内涵及其重要性
可“靠为性了，实陶现瓷具制有备均科匀学性是和必重使需复用的性效”的能（无60缺年代陷美显国微材料结顾构问，委员提会高材
料领域调研报告）
先进陶瓷材料涉及学科
凝合聚成态与物制理备 固态化学
结晶化学
性能 组成与结构
LiCoPO4 粉体的显微形貌
Bi4Ti3O12 粉体的显微形貌
特点： 产物纯度高 结晶状态好 工艺相对简单 适合于产业化
陶瓷粉体的制备
陶瓷粉体的制备
沉淀法
基本思路 ：
添加沉淀剂
金属盐溶液
盐或氢氧化物 热分解 氧化物粉末
分离
陶瓷粉体的制备
（1）直接沉淀法 BaTiO3制备 将Ba(OC3H7)2和Ti(OC5H11)4溶解在异丙 醇或苯中，加水分解（水解）就能得到 颗粒直径为5-15nm的高纯BaTiO3粉末
胶体化先学进陶瓷材料科学与工程四面体
合成与制备－组成与结构－性能－使用效能
结构陶瓷的制备 原料制备
结构陶瓷材料的制备科学
烧结
坯料制备
后处理
坯体成型
陶瓷粉体的制备
超微粉体的制备方法 结构陶瓷——由晶粒和晶界构成的多晶体 粉体——成型——烧结——多晶体 粉体性质——陶瓷材料性能 粉体制备方法： 固相法 液相法 气相法
高温结构陶瓷的分类以及区分方法(图)
高温结构陶瓷是一种具有高熔点等特点的结构陶瓷。
高温结构陶瓷分为氧化铝陶瓷、氮化硅
陶瓷、氮化硼陶瓷和碳化硼陶瓷。
下面让科众陶瓷讲诉这些不同材质的高温结构陶瓷的区别。
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。
氧化铝高温结构陶瓷
氮化硅陶瓷:
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。
氮化硼陶瓷:
氮化硼陶瓷，外观与性状:润滑易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。
将B2O3与
NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。
通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗
称为白色石墨。
碳化硼陶瓷:
碳化硼材料具有质量轻、高硬度、高耐磨损、高耐冲击、吸收中子等性能，在高技术工业、核电技术、国防军工等领域具有广阔的应用前景，是国民经济和国防建设中重要的战略物资材料，具有广泛的用途。
有高温结构陶瓷自然也会有低温结构陶瓷，与低温结构陶瓷区分方法有：
听声音可以简单区分，高温的瓷化程度好，声音清脆。
但根本是还是看吸水率的大小，高温烧结的陶瓷吸水率小。
无论哪种测法，都是先将瓷片称重，得m0，实验后称重得m1，吸水率为(m1-m0)/m0。
每种测法所得数据略有不同，但只要两种瓷片是用同一种方法测得，结果不有可比性。
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高温结构陶瓷分类
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
氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷，外观与性状:润滑,易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。
将B2O3与NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。
通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。
另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。
这种氮化硼中B－N键长（156pm）与金刚石在C－C键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。
4、人造宝石
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。
传统陶瓷指硅酸盐陶瓷，而结构陶瓷则不受指范围限制，不一定是硅酸盐材料。
二者在性能方面也有很大的不同。
1.耐高温性：与普通材料相比，陶瓷都耐高温的，结构陶瓷也是。
2.耐磨性：普通陶瓷也较耐磨，因为有较大的硬度。
但结构陶瓷则可能具备更大的硬度，比如是SiN结构陶瓷，常做成刀具切割金属或普通陶瓷。
3.韧性：因为陶瓷普遍有较大的硬度，大通常特别脆，所以很容易碎，因此陶瓷强度的提高很大程度上要信赖对其韧性的提高。
经过增韧的结构陶瓷会有较大的强度，再加上其不生锈，耐高温，免润滑的特性，结构陶瓷会成为性质优良的材料，比如目前对陶瓷发动机的研究。
如果强度等性能过关，陶瓷发动机可以不用润滑，不用水箱冷却，将大大节能。
4.热稳定性：结构陶瓷在热稳定性方面也会有很大的提高，急冷急热不会开裂。