华中科技大学工程材料学课件第10章陶瓷材料.ppt
第十章 陶瓷材料,陶瓷材料基本知识陶瓷材料的组织与结构陶瓷材料的性能及应用工程陶瓷简介,第一节 陶瓷材料基本知识,一、陶瓷材料的含义 陶瓷亦称无机非金属材料，是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）为原料，经粉碎、配制、成形和高温烧制而成的无机非金属材料。,陶瓷的分类：(1)按原料分：普通陶瓷是利用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）为原料制成的陶瓷，也称传统陶瓷。特种陶瓷是采用人工合成化合物为原料制成的，具有各种独特性能的陶瓷，又称新型陶瓷、现代陶瓷。,(2)按化学成分分：氧化物陶瓷Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2；碳化物陶瓷SiC、B4C、WC、TiC；氮化物陶瓷Si3N4、AlN、TiN、BN；新型碳化物陶瓷C3N4；硼化物陶瓷TiB2、ZrB2；复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷3Al2O32SiO2(莫来石)、MgAl2O3(尖晶石)、CaSiO3、ZrSiO4、BaTiO3、PbZrTiO3、BaZrO3、CaTiO3等。,二、陶瓷材料的结合键,陶瓷材料的结合键为离子键和共价键，大多数为两者的混合键。由于离子键和共价键的键能高，所以陶瓷材料表现出高熔点、耐腐蚀、高硬度、极差的塑性与极高的弹性模量等特点。,三、陶瓷材料的制取,陶瓷制备三阶段：粉体制备坯料成形烧成或烧结 普通陶瓷瓷化过程称为烧成。特种陶瓷瓷化过程称为烧结。烧成或烧结的实质是生坯在高温加热时发生一系列物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分解，有机物及碳化物的气化，晶体转型及熔化），并使生坯体积收缩，强度、密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。常见的烧结方法有热压或热等静压法、液相烧结法、反应烧结法。,第二节 陶瓷材料的组织和结构,陶瓷一般由晶体相、玻璃相和气相组成。其显微结构是由原料、组成和制造工艺所决定的。一、晶体相 晶体相是陶瓷材料的主要组成相，是化合物或固溶体。晶体相常常不止一个，可分为主晶相、次晶相或第三晶相。陶瓷主要性能取决于主晶相。晶体相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。硅酸盐的基本结构是硅氧四面体（SiO4），构成不同结构的硅酸盐，大多数氧化物的结构是氧离子密堆的立方和六方结构，金属离子位于其八面体或四面体间隙中。,二、玻璃相,玻璃相是一种低熔点的非晶态固相，玻璃相成分是 SiO2和其它氧化物。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。故陶瓷中玻璃相的体积分数一般不大于20%40%。,三、气相,气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密度，提高绝热性和抗振性。对功能陶瓷的光、电、磁等性能也会产生影响。普通陶瓷的气孔率为体积的5%10%，特种陶瓷为5%以下。,四、陶瓷的结构,陶瓷显微组织示意图,第三节 陶瓷材料的性能及应用,一、力学性能(1)弹性 陶瓷的弹性模量在各类材料中最高，因为陶瓷具有很强的化学键。,一、力学性能,(2)硬度 陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。陶瓷硬度为1000HV5000HV,淬火钢为500HV800HV,高聚物最硬不超过20HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降低,但在高温下仍有较高的数值。,一、力学性能,(3)强度 致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度，使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/10001/100）。刚玉（Al2O3）陶瓷块抗拉强度280MPa，刚玉陶瓷纤维（缺陷少），抗拉强度为2100MPa，提高12个数量级。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。高温强度高，高温抗蠕变能力强，抗氧化性好，适宜作高温材料。,一、力学性能,(4)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。(5)韧性 非常典型的脆性材料：冲击韧性10kJ/m2以下,断裂韧性值很低。脆性是陶瓷材料的最大缺点，是其成为结构材料的主要障碍。增韧是陶瓷研究的热点。,二、物理化学性能,1、熔点很高，大多在2000以上，具有很高的耐热性；2、线膨胀系数小，导热性和抗热震性都较差，受热冲击时容易破裂；3、化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性；4、有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶瓷具有半导体性质。许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能等，可制成专门的功能陶瓷器件。,第四节 工程陶瓷简介,一、普通陶瓷 以粘土、长石、石英等为原料烧结而成的陶瓷。这类陶瓷质地坚硬、不氧化、耐腐蚀、不导电、成本低，但强度较低，耐热性及绝缘性不如其它陶瓷。普通工业陶瓷有建筑陶瓷、电瓷、化工陶瓷等。电瓷主要用于制作隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。化工陶瓷主要用于化学、石油化工、食品、制药工业中制造实验器皿、耐蚀容器、反应塔、管道等。,二、特种陶瓷（1）氧化铝陶瓷 Al2O3少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。硬度很高，耐磨性很好。耐高温，1600高温下长期工作。具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，在高频下的电绝缘性能尤为突出。氧化铝陶瓷的韧性低，脆性大，抗热振性差。还具有光学特性和离子导电特性。用于制作：装饰瓷，内燃机的火花塞，电路基板，管座，石油化工泵的密封环，机轴套，导纱器，喷嘴，火箭、导弹的导流罩，切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石，耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等。还可用于制作人工骨骼，透光材料，激光振荡元件，微波整流罩，太阳能电池材料和蓄电池材料等。,第四节 工程陶瓷简介,（2）氮化硅陶瓷 以Si3N4为主要成分的陶瓷。氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能。用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。,
