陶瓷材料介绍

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现代陶瓷可用做量具，陶瓷密封件、陶 瓷刃具以及陶瓷替代金属的零部件等 。
卡尺、千分尺专用陶瓷量块
铣刀系列 整体陶瓷锯片铣刀系列
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密封件类
喷砂咀、电脑针机用的提 花三角
纺机刀片
超薄陶瓷量块
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半球面型特种陶瓷片镶嵌在
特种橡胶内，形成既耐磨损又耐 打击的坚固的防磨层。广泛适用 于火力发电厂的输煤系统及冶金、 钢铁系统的烧结厂的输料、配料 系统的料斗、料仓等落差高、冲 击大的部位上。
主要区别
所有采用无机原料做成 的材料都成为陶瓷材料
（1）原料不同，大部分采用人工合成原料； （2）在制备、成型技术与烧结工艺方面有重大革新; （3）材料的成分包括碳化物、氮化物、硼化物等; （4）材料的性能有大幅度的提高，主要应用于高科技领域。
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先进陶瓷材料按其应用领域的不同可以分为 工程陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷三大类。
工程陶瓷
主要包括氧化物类、氮化物类和碳化物
氧化铝陶瓷（Al2O3）
氧化铝含量在85%以上的材料统称为氧化铝陶瓷， 含量在99%以上的称为刚玉陶瓷。氧化铝的熔点高达 2050℃，很高的硬度（莫氏硬度为九级），弹性模量 为390GPa，很好的绝缘性能和低的介电常数。
主要用途
用于制造刀具和耐磨件，高温热电偶保护管 及坩埚，集成电路基片和多层封装管壳及高频绝 缘瓷体等，其用量约占结构陶瓷的一半以上 。
5、架状硅氧骨干： [SiO4]四 面体四个角顶全部与其相邻 的四个[SiO4]四面体共用， 每个氧与两个硅相联系，形 成惰性氧，石英（SiO2）族 矿物即具此结构。
层状
长石架状硅氧骨干
石英架状
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三、陶瓷材料的性能
陶瓷材料普遍具有脆性， 这是限制其使用范围的重 要原因。
陶瓷一般具有很高 的熔点、高硬度和 极好的化学稳定性， 特别是很强的抗氧 化能力。
第一种人造材料
新旧石器时代 划分的标志
距今大约一万年前出现
以粘土作为原料
成型与烧结
至今依然是大多数无机非金属材料的基本生产过程
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陶瓷材料的发展可以用五个里程碑和三个技术突破来概括
第一个里程碑
新石器时代早期陶器的出现
江西万年仙人洞和广西桂 林甑皮岩两个新石器时代遗址 出现了距今万年左右的陶器。
原料与工艺
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1、岛状硅氧骨干：硅氧骨干被其它阳离子所隔开，彼此分离犹 如孤岛，包括孤立的[SiO4]单四面体及[Si2O7]双四面体。
2、环状硅氧骨干：[SiO4]四面体以角顶联结形成封闭的环，根 据[SiO4]四面体环节的数目可以有三环、四环、六环，环还可以 重叠起来形成双环，如六方双环。
岛状
三方环
四方环
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钛碳化硅（Ti3SiC2)的优点
•轻质高强 (4.53g/cm3,体弹性模量约 206GPa,杨氏模量约为320 GPa) •导电,导热（4.5x106Ω-1m-1） •易加工 •耐高温,抗氧化 •抗腐蚀,抗热冲击性等
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Ti3SiC2的结构特征
晶体结构为层状，空间 群为P63/mmc
Ti原子3d层电子，Si原子 的3p和C原子的2p电子均 对能带有着重要的影响。 根的据 电计 导算 性可 将预 表测现到为金Ti3属Si性C2 和各向异性 。
Crystal structure of Ti3SiC2
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增加陶瓷韧性的主要方法
（1）采用高纯、超细的粉末原料，改进成型和烧 结工艺，从而获得结构致密、均匀的陶瓷材料。
（2）引入细小弥散分布的第二相颗粒，实现颗粒增强与增 韧，其主要原理是利用两相膨胀系数的差异，在基体与第二 相之间产生一个压应力，使裂纹尖端的张应力得到缓解。
缺点
不致密
易渗漏
强度不高
从陶到瓷主要有三大突破： 一、瓷土的发现和利用 二、釉的发明和创新 三、烧结温度的提高
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17世纪，中国的制瓷技术传至西方，1750年法、英相继找到瓷土， 1768年制造出瓷器。
陶瓷的主要成分是SiO2，加上其它多种氧化物，经 高温烧制后形成一种以硅酸盐为主的材料，在几千年的 发展过程中，硅酸盐工业取得了很大的发展，至今已演 化成四个家族：陶瓷、水泥、耐火材料和玻璃。
是当前工业中最大用量的材料之一，水泥和沙子、 钢筋混合构成的钢筋混凝土是建筑业的基础。
1990年和2002年世界水泥产量（万吨）
1990年
国家
产量
2002年
国家
产量
中国
20971
中国
71452
俄罗斯
13732
法国
20200
日本
8845
美国
11425
美国
7094
印度
10814
印度
4617
日本
7105
德国
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第五个里程碑
宋代到清代彩色釉瓷、彩绘瓷 和雕塑陶瓷的辉煌成就
自东汉晚期，浙江就烧制 透明和单色的青釉瓷，随 后，从透明到呈乳浊状和 呈现各种纹样是在工艺和 艺术上的一次飞跃。 唐代出现的唐三彩是另一 个飞跃；元代以后又有多 种元素被引入彩釉中，这 是又一次飞跃。
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唐三彩
紫沙壶
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陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁的冶炼提 供了物质条件，为人类的进化立下了不朽功绩
2.20-2.70 140-340 140-340 1.2-3.0 100-250 80 -85
3.2-3.28 750-900 300-800 5.7-6.0 294-310 87-92
3.25-3.35 900-1200 600-800
7.0-8.0 300-330 89-93
最有希望用于制造陶瓷发动机的材料， 作为新一代陶瓷刀具已崭露头角。
能源工业
汽车工业
航空航天
缺点
断裂韧性低
可靠性差
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三元层状化合物Mn+1AXn
目前发现的有几十种，其中M为Ti、 V、Nb等过渡元素，A为Al、Si、Sn等 三、四主族元素，X为C、N等。
从现在的研究情况看，上述化合物中 研 T化i2究合Sn得物C，最的以多主下的 要将是 特以点Ti3T以Sii3及CSi2C目、2为前Ti主的3A介研l C绍究2 这和情类 况。
电子陶瓷95、99氧化铝陶 瓷，可用于各种规格的电真空 陶瓷管壳及金属化和釉化产品。 为生产电真空器件的厂家提供 电气性能、机械性能优越的配 套瓷件。
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氮化硅陶瓷（Si3N4）
常压下无熔点，1860℃时分解， 二十世纪五十年代制造出来
氮化硅工业陶瓷的主要性能
性能
反应烧结 常压烧结 热 压
密度(g/cm3) 室温抗弯强度(MPa) 1200℃抗弯强度(MPa) 断裂韧性(MPa•m1/2) 弹性模量(GPa) 洛氏硬度(HRA)
陶瓷材料介绍
山东理工大学 谷万里
一、陶瓷材料的发展历史
陶瓷材料——一个古老的材料王国
氧化物
属于无机非金属材料，以 共价键为主要结合键
碳化物 主要特点
氮化物
硼化物
高熔点
高强度 高硬度
耐腐蚀
电绝缘性
陶瓷材料在地球上的分布极其广泛。据分析测算，
以氧化硅为首的十种氧化物约占地壳总量的98%左右。
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在远古的石器时代，人们学会了用泥土来制造陶器
3777
韩国
5682
韩国
3391
巴西
4219
法国
2650
俄罗斯
3967
巴西
2585
泰国
3224
泰国
1805
德国
2800
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耐火材料
是能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料，通常 规定其耐火度在1580℃以上，主要用于高温冶炼、煅烧等工业 炉的内衬、墙体、窗口等，在冶金工业中有十分重要的作用。 为满足近代工业发展的需要，还需要研制新的高级耐火材料。
战国原始瓷
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商代(公元前16世纪——前11世 纪)1954年河南省郑州市人民公园出 土高25．6厘米 口径21．4厘米此器 以高岭土烧制而成,通体施稀薄的淡 黄釉,烧成温度在1200℃以上,是目前 所见的最早的瓷器之一。
原始瓷内外表面都有玻璃釉，但结合不好，易脱落。
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第三个里程碑
汉晋时期南方青釉瓷的诞生
陶瓷
日用陶瓷 碗、盘、缸等
建筑陶瓷 瓷砖、卫生洁具、水池等
高温陶瓷
耐蚀陶瓷
坩埚、发热体、热保护套管等
酸碱的储槽、容器、反应器等
耐磨陶瓷 砂轮、砂纸、磨料等
电工陶瓷
绝缘、耐压部件等
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二、陶瓷材料的晶体结构特征
陶瓷材料中以共价键和离子键为主要结合键。以氧化物 和硅酸盐为主，其中硅酸盐矿物在自然界中分布极为广泛已 知的硅酸盐矿物有600多种，约占已知矿物种的1/4，占地壳 岩石圈总质量的85%。在硅酸盐结构中，每个Si原子一般为 四个O原子包围，构成[SiO4]四面体，即硅氧骨干，它是硅酸 盐的基本构造单位。
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碳化硅陶瓷（SiC）
1893年首次合成。其高温力学性能是目前陶瓷 中最优秀的，其强度从室温到1600℃基本不变
非氧化物陶瓷中化学稳定性最好，抗高温氧化、耐 各种酸碱的腐蚀，硬度仅次于金刚石和立方BN
导电性和导热性在陶瓷材料中较好，可用于高温发热 体和热交换器，是很好的磨料，有广泛的应用前景。
工程陶瓷的应用
东汉晚期，以浙江越窑青釉瓷的诞 生标志着中国陶瓷工艺发展的一个 飞跃。瓷与陶的重要区别在于外观 坚实致密，一般为白色或略带灰色， 断面有玻璃态光泽。
第四个里程碑
隋唐时期北方白釉瓷的突破 烧结温度达到1300℃以上
1985年，浙江临城县东街砖厂一座唐大 中二年（848年）墓出土。通体施青釉， 素洁明润，没有任何装饰。底部浅刻 “张”字
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现代艺术陶瓷风采
极品美玉仿
唐风宋韵__(工艺品,瓷雕刻)
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钧瓷-虎头瓶
钧瓷-荷口玉壶春
中国钧瓷——源产于河南省禹州市，始于唐，盛于 宋，至今已有一千多年的历史，钧瓷以其流芳千古的窑 变神韵雄居宋代五大名瓷之首
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景德镇陶瓷艺术品＜青春＞
黄景锋 陶瓷艺术品
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古老又年轻的材料
先进陶瓷材料
就地取材，烧结温度在700℃ 左右，造型简单
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江西万年仙人洞遗 址，根据C14测定年代 数据与地层情况推断， 仙人洞下层文化大概要 早于河姆渡文化，估计 在公元前5000年以前， 这应归属新石器时代早 期遗存的范围。
特点
陶器全系夹粗砂红陶，胎体厚薄不均，内壁凸凹不平，器 表绝大多饰粗细绳纹，有些在绳纹上再刻划大小方格纹、圆涡 纹，还有的在方格纹和绳纹上涂硃。器形基本上是一种直口圜 底罐，在制陶技术上表现出相当的原始性。上层仍以夹粗砂红 陶为主，并增添了以细砂和蚌壳粉末为羼合料的红陶和素面为 主的泥质红陶。
陶瓷辊棒
高温粘结剂
聚轻高铝砖
莫来石轻质砖
酸铝不烧砖
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玻璃
早在3500年以前，古埃及就出现了玻璃工 业，成为西方古代文明的象征之一。
玻璃可以在烧红变软后加工成多种工艺制品，还可以通 过化学成分的调整和各种工艺处理来改变其物理和化学 性能以适应不同的需要。在建筑、化工、光学仪器、化 学分析仪器、医疗器械等多方面有广泛的用途。
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陶瓷中发现了稻谷存在的证据， 距今6700年的浙江河姆渡遗址出土的 夹碳陶，经研究发现有象谷物外壳的 碳化物。从出土文物中含有的一些动 物造型可以判断人类饲养这种动物的 年代。
仰韶文化彩陶
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第二个里程碑 夏代印文硬陶和商、周时代原始瓷的烧制成功
与陶器的区别
化学组分中含有Fe2O3，印文 硬陶烧结温度在1200℃左右， 原始瓷的烧结温度在1280℃ 左右。
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陶器在考古学方面的作用与贡献
文字的出现
约距今3100年前的商代
文字出现以前的历史主要靠历史遗物来研究
发现遗物
判定年代
了解历史
问题
如何判定陶瓷器皿的烧制年代?
陶瓷中矿物所吸收的辐射总能量 陶瓷中矿物每年吸收的辐射能量 =陶瓷自烧制至今的年份
缺点
1、破坏性的判定方法
2、无法判定烧制的地方、原料及方法
（3）通过相变增韧。利用陶瓷在相变时产生的体积变化，在 受到应力时诱发相变，由于产生体积变化而产生压应力，这种 压应力正好抵消了裂纹尖端的拉应力从而使断裂韧性提高。
（4）纤维增强与增韧。在陶瓷中加入另一种结构上更 加完好的陶瓷晶须。由于在裂纹扩展时需要把断裂面 上的晶须拔出，使得阻力增加而断裂韧性增加。
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陶瓷材料往往具有 特殊的光学性能，瓷砖、 艺术瓷器、珐琅等制品 常具有丰富多彩的表面 光泽。
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四、陶瓷材料的分类
陶瓷材料已经成为一个十分庞大的家族，其分类也可依 照不同的标准进行。
按性能分类： 功能陶瓷
按用途分类：
结构陶瓷
水泥 按成分分类：
耐火材料
玻璃
氧化物陶瓷 氮化物陶瓷
硅化物陶瓷
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水泥
六方环
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3、链状硅氧骨干：[SiO4]四面体以角顶联结成沿一个方向无 限延伸的链，其中常见的有单链和双链。
单链
双链
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4、层状硅氧骨干：[SiO4]四面体 以角顶相连，形成在两度空间上 无限延伸的层。层中每一个 [SiO4]四面体以三个角顶与相邻 的[SiO4]四面体相联结。与两个 硅相联结的氧电价饱和，为“惰 性氧”或称“桥氧” ，[SiO4]四 面体也可有不同的联结方式。