gc10 陶瓷材料

第二节、陶瓷材料的组织与结构
陶瓷材料是多相多晶 材料，陶瓷材料的典型组 织是由： 晶体相 玻璃相 气相 组成，各组成相的结 构、数量、形态、大小及 分布决定了陶瓷的性能。

晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物
理化学性质的主要是晶相。 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材 料致密度、降
热电偶套管
密封环
陶瓷喷咀
耐火材料
坩埚
• ⑵ 氮化硅（Si3N4）陶瓷
• 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共 价键固体。
• ① 氮化硅的制备与烧结工艺
• 工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 • 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO 烧结工艺 优点 缺点
反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能 密度低，强度低，耐蚀
ENGINEERING MATERIALS
工程材料及应用
多媒体教案
五邑大学机电工程学院
第十章
第十章 陶瓷材料 (ceramics)
陶瓷材料指利用天然或 人工合成的无机非金属粉状化 合物，经成型和高温烧结而制 成的多晶固体材料。
• 按使用的原材料分类
• 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。

普通陶瓷以天然的岩石、
陶瓷材料的制取：
陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温
烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。
配料
成型
煅烧
（二）陶瓷制品的生产
陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制 备、成型、烧结 • 坯料制备 通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制 备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度 及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量 要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉 料、浆料或可塑泥团。
• ⑴ 氧化铝陶瓷
单相Al2O3陶瓷组织
• 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,
含有少量 SiO2 的陶瓷，又称高
铝陶瓷。
Al2O3密封、气动 陶瓷配件 Al2O3化工、耐磨陶 瓷配件
• 根据 Al2O3 含量不同分为 75 瓷 ( 含 75%Al2O3 ，又称刚
玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。 • 氧化铝陶瓷强度大于普通陶瓷，硬度很高、仅次于 金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，耐磨性很 好。其耐高温性能好；刚玉瓷能在1600 ℃ 高温下长 期工作，抗蠕变性能高。
95瓷纺织件
99瓷纺织件
氧化铝耐高温喷嘴
• 由于键合力很大，氧化铝为两性氧化物，所以其耐蚀性很强。 氧化铝陶瓷也有很好的电绝缘性，特别是高频下的电绝缘性 很好。氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、 热偶套管，淬火钢的 切削刀具、金属拔丝模， 内燃机的火花塞，火箭、 导弹的导流罩及轴承等。
• 光、电性能
陶瓷晶体中没有自由电子，所以一般都是很 好的绝缘材料，少数陶瓷具有半导体性质。陶瓷 可以在电子工业中制造电子元件。 某些陶瓷具有特殊的光学性能，加用作固体激光 材料、光导纤维、光储备材料等。 红宝石（α-Al2O3掺铬离子）、钇铝石榴石、含 钕玻璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导 纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控 元件的光敏电阻材料。
急冷
加热
β -石英
β -鳞石英
117℃ γ -鳞石英
β －方石英
石英玻璃
晶体相的缺陷
• 实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体 缺陷，这些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过 程，还影响陶瓷性能。 • 晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉 （ Al2O3 ）晶粒平均尺寸为 200μm 时，抗弯 强 度 为 74MPa ， 1.8μm 时 抗 弯 强 度 可 高 达 570MPa。 • 陶瓷材料中往往同时存在多种晶相，对陶 瓷性能起决定作用的晶相称主晶相，其余 为次晶相。
• 气相可使陶瓷的密度减小，并能 吸收振动； • 用作保温的陶瓷和化工用的过滤 多孔陶瓷等需要增加气孔率，有 时气孔率可高达60％。
• 有些陶瓷中的晶相也存在同素异构转变。
SiO2的同素异构转变
α -石英
573℃ 870℃
α -鳞石英
163℃
1470℃
α -方石英
180~270℃
1713℃
熔融SiO2
离子键
共价键
陶瓷材料离子键和共价键的混合比
化合物 电负性 离子键比例 /% 共价键比例 /% LiF 3.0 MgO Al2O3 SiO2 2.3 2.0 1.7 Si3N4 1.2 SiC 0.7 Si 0
89
73
63
51
30
11
0
11
27
37
49
70
89
100
陶瓷材料的基本属性
• 化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合 键； • 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感； • 熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性； • 一般自由电子数目少、导热性和导电性较小； • 耐化学腐蚀性好； • 耐磨损。
氧 化 铝 陶 瓷 密 封 环
氧化铝陶瓷坩埚
氧化铝陶瓷转心球阀
Al2O3陶瓷 ① 强度高 ② 硬度高：机械加工磨料、磨具、切削工具等
③ 熔点高、抗腐蚀：耐火材料、炉管、热电偶保护套等
④ 化学稳定性好：坩埚、人体关节、人工骨骼 ⑤ 电绝缘性好：基板、火化塞、电路外壳 ⑥ 光学性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振荡元 件等
热压烧结氮化硅 用于形状简单、
精度要求不高的
零件，如切削刀
具、高温轴承等。
Si3N4轴承
• 反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的
零件，如机械密封环等。
汽轮机转子
叶片气阀等零件
• • • •
将分散的晶相粘结在一起； 降低烧结温度； 抑制晶相的晶粒长大 填充气孔。
玻璃相熔点低、热稳定性差， 在较低温度下开始软化，导致陶瓷 在高温下发生蠕变，且其中常有一 些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。 故工业陶瓷中玻璃相的数量要 予以控制，一 般<20~40%。
３. 气相
气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。 是生产过程中不可避免的，陶瓷中的 孔隙率常为 5~10% ，要力求使其呈球 状，均匀分布。 气孔对陶瓷的性能有显著影响， 使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电 击穿强度下降，绝缘性降低。
陶瓷材料的力学性能
•Байду номын сангаас弹性与强度
陶瓷材料的键合力强，弹性模量比金属大，硬 度也高。 抗拉强度低，抗压强度较高； 由于陶瓷的成分、组织都不如金属材料纯，表面及 内部的气孔、微裂纹等缺陷，实际抗拉强度仅为理 论强度的1/100~1/200。但抗压强度高，为抗拉强度 的10~40倍。 增大陶瓷的致密度，减少缺陷，可以使强度 大幅度提高。
• 成型 将坯料用一定工具或模具制成一定形状、 尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。 • 烧结 生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接 烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物 理化学变化及相变，如体积减小，密度增加， 强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制 品达到所要求的物理性能和力学性能。
为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。
• 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3· 2SiO2)，占
25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。
• 普通陶瓷加工成型性好， 成本低，产量大。 • 除日用陶器、瓷器外， 大量用于电器、化工、 建筑、纺织等工业部门。 景 德 镇 瓷 器
绝 缘 子
二、新型结构陶瓷
• 化学性能 • 结构稳定 化学稳定性高，抗氧化性优良，在 1000℃高 温下不会氧化，并对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。 故在化工工业中广泛应用。
第四节 常用工业陶瓷
• 一、普通陶瓷
• 普通陶瓷是用粘土(Al2O3· 2SiO2· 2H2O)、长石
(K2O· Al2O3· 6SiO2，Na2O· Al2O3· 6SiO2)和石英(SiO2)

低烧结温度和
抑制晶粒长大。 • 气相是在工艺 过程中形成并 保留下来的。
• 1、晶体相
晶体相是一些化合物或以化合物为基 的固溶体，是陶瓷材料的主要组成相。当 存在几种晶体相时，分为主晶相、次晶相 及第三晶相等。 陶瓷的力学、物理及化学性能主要取 决于主晶相，它的结构、数量、粒度、形 态和分布决定了陶瓷的主要特点和应用。
得到复杂的形状 性差 只能制造简单形状，烧 热压烧结 用较少的助剂就能致密化， 强度、耐蚀性最好 结助剂使高温强度降低
• ③ 性能特点及应用
• 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金 刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系 数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定 性高。

• 塑性和韧性
• 冲击韧性、断裂韧性低 KIC 约为金属的1/60~1/100
几种材料的断裂韧性
材料 KIC /MPa.m1/2
45钢
球墨铸铁
90
20~40
氮化硅陶瓷
3.5~5
2. 物理与化学性能
• 熔点高 一般在2000℃以上，故陶瓷高温强度 和高温蠕变抗力优于金属。 • 热胀系数小、热导率低 随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热 导率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作绝热材 料。 热振性差。

陶瓷中晶体相一般是： 氧化物（如MgO,Al2O3,ZrO2 ，TiO2) 非氧化物(碳化物WC,氮化物TiN) 含氧酸盐(硅酸盐[SiO4])
２. 玻璃相
玻璃相是一种非晶态固 体，是陶瓷烧结时，各组成 相与杂质产生一系列物理化 学反应形成的液相在冷却凝 固时形成的。
玻璃相的作用
玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。
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。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构陶 瓷和功能陶瓷两类。