第九章第三节陶瓷_工程材料.doc

月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 9-3陶瓷 陶瓷是无机非金属材料，应用十分广泛。一、陶瓷材料的组织结构及特点陶瓷的典型组织结构：晶相(莫来石和石英)、玻璃相和气相 陶瓷在室温下的组织 1、晶相陶瓷是多晶体，每一晶粒都是晶相。晶相是陶瓷的主要组成相，主要有硅酸盐和氧化物。硅酸盐基本单元为硅氧四面体结构。硅氧四面体通过共用顶角而相互连结。当形成无限连接时，可形成单链或双链结构。或者以 的负离子状态与其他金属正离子结合形成各种硅酸盐结构。 氧化物氧化物晶相：AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等(A、B为金属离子)。 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 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。晶相中晶粒的大小对陶瓷性能有较大影响。晶粒越细，抗弯强度越高。2、玻璃相玻璃相是陶瓷在高温烧结时形成的液相在冷却时转变为玻璃相。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；阻止晶体转变，抑制其长大；热稳定性差，较低温度时引起软化；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。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3、气相气相是陶瓷内部残留的孔洞；气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外），工业陶瓷力求气孔小、数量少，并分布均匀。 气孔率：普通陶瓷510%；特种陶瓷5%以下；金属陶瓷低于0.5%。 二、陶瓷材料的性能 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 1、陶瓷的机械性能硬度陶瓷因其结合键强度高，硬度是各类材料中最高的。陶瓷硬度为10005000HV, 淬火钢为500800HV, 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。强度气孔和晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/10001/100）。 晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；晶界上原子间键被拉长, 键强度被削弱；相同电荷离子的靠近产生斥力,会造成裂缝。致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。刚玉（Al2O3）陶瓷块抗拉强度280MPa；刚玉陶瓷纤维(缺陷少)抗拉强度2100MPa。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。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，加之大量气孔的存在，使陶瓷很脆。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。对表面状态特别敏感：由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中， 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 由于不能由塑性变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。2、陶瓷的物理和化学性能热性能熔点高，比高温金属材料具有更高的耐热性，高温时结构稳定，很好的耐火材料和坩埚材料。化学性能结构非常稳定，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。电性能由于缺乏电子导电机制,多数陶瓷是良好的绝缘体；不少陶瓷既是离子导体,又有一定的电子导电性；许多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。陶瓷材料的性能特点：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，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。三、常用工业陶瓷1、普通陶瓷成分：粘土(Al2O32SiO22H2O) 石英(SiO2) 长石(K2OAl2O36SiO2)。特点：坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，各种陶瓷中用量最大。但玻璃相含量较高，结构疏松，强度低，耐热性较差。 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 应用：日用器皿和瓷器；装饰板、卫生间装置及器具；化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿等；电器绝缘用瓷。2、氧化铝（刚玉）陶瓷结构特点：O2-排成密排六方结构，Al3+占据间隙位置。性能特点及应用：熔点达2050，抗氧化性好，广泛用于耐火材料；较高纯度的Al2O3粉末压制成形、高温烧结后得到刚玉耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等。微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石），红硬性达1200，可作要求高的工具如切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高温耐火结构材料，如可作内燃机火花塞、空压机泵零件等。单晶氧化铝可做蓝宝石激光器；氧化铝管坯做钠蒸气照明灯泡。 3、碳化硅陶瓷性能：优异的高温强度：抗弯曲强度200250MPa抗压强度10001500MPa，良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性及抗蠕变性。应用：加热元件、石墨表面保护层、砂轮及磨料等。4、氮化硅陶瓷性能：硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；1200以下具有较高的机械性能和化学稳定性；耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液腐蚀，并能抗熔融铝铅、锌、镍等非铁金属的侵蚀。 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 应用：可做优良的高温结构材料和优良的耐腐蚀材料。反应烧结法得到的-S