第10章陶瓷材料

1、第10章 陶瓷材料10.1 概述 陶瓷材料的特点 陶瓷材料的分类10.1.1 陶瓷材料的特点1.相组成特点相组成特点 晶相晶相决定陶瓷物理、化学性质的相；决定陶瓷物理、化学性质的相； 玻璃相玻璃相填充晶粒间隙、粘结晶粒、提高至填充晶粒间隙、粘结晶粒、提高至密度、降低烧结温度、抑制晶粒长大等作用密度、降低烧结温度、抑制晶粒长大等作用 气相气相是工艺过程中保留下来的结构。对陶是工艺过程中保留下来的结构。对陶瓷材料的电性能和热性能影响很大。瓷材料的电性能和热性能影响很大。10.1.1 陶瓷材料的特点2.结合键特点结合键特点 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、

2、氮化物、硅化物等，其结合键以物、硅化物等，其结合键以 离子键离子键 共价键共价键 离子键与共价键的混合物组成离子键与共价键的混合物组成10.1.1 陶瓷材料的特点3.性能特点性能特点优点：高熔点优点：高熔点 高硬度高硬度 高化学稳定性高化学稳定性 耐高温耐高温 耐氧化耐氧化 耐腐蚀耐腐蚀缺点：脆性大缺点：脆性大10.1.1 陶瓷材料的特点4.工艺特点工艺特点 1）粉体成型）粉体成型 2）高温烧结）高温烧结 因此，陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集因此，陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，还有气孔。体，有晶粒和晶界，还有气孔。10.1.2 陶瓷材料的分类1.按化学成分分类按化学成

3、分分类 氧化物陶瓷（如氧化铝、氧化锆等）、氧化物陶瓷（如氧化铝、氧化锆等）、 碳化物陶瓷（如碳化硅、碳化钨等）、碳化物陶瓷（如碳化硅、碳化钨等）、 氮化物陶瓷（如氮化钨、氮化硅等）、氮化物陶瓷（如氮化钨、氮化硅等）、 其它化合物陶瓷；其它化合物陶瓷；10.1.2 陶瓷材料的分类2.按材料来源分类按材料来源分类 普通陶瓷、特种陶瓷；普通陶瓷、特种陶瓷；3.按性能和用途分类按性能和用途分类 结构陶瓷：在工程结构上使用的陶瓷。结构陶瓷：在工程结构上使用的陶瓷。 功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能制造的功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷。陶瓷。10.2 陶瓷在工程中的应用 普通陶瓷普通陶瓷 特种

4、陶瓷特种陶瓷10.2.1 普通陶瓷普通陶瓷 普通陶瓷又称传统陶瓷。普通陶瓷又称传统陶瓷。 用黏土、长石和石英为原料，经成型、烧结用黏土、长石和石英为原料，经成型、烧结而成。而成。 其加工成形性好，价格低廉，产量高、应用其加工成形性好，价格低廉，产量高、应用广。广。 日常生活中的陶器、瓷器、建筑用陶瓷等；日常生活中的陶器、瓷器、建筑用陶瓷等；在电器、化工、纺织等工业上应用也很广泛：在电器、化工、纺织等工业上应用也很广泛：化化工容器、管道、供电系统的绝缘电瓶、纺织机工容器、管道、供电系统的绝缘电瓶、纺织机械械中的导纱零件等中的导纱零件等10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷 特种陶瓷又称新型陶瓷、精细陶瓷

5、。特种陶瓷又称新型陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷在很多方面突破了传统陶瓷的概念特种陶瓷在很多方面突破了传统陶瓷的概念和范畴。和范畴。 原料原料由天然矿物发展为人工合成的超细、高由天然矿物发展为人工合成的超细、高纯的化工原料；纯的化工原料； 工艺工艺由传统的手工生产发展为连续、自动，由传统的手工生产发展为连续、自动，甚至超高温、超高压及微波烧结等新工艺；甚至超高温、超高压及微波烧结等新工艺； 性能和用途性能和用途，由传统的应用于生活和艺术发，由传统的应用于生活和艺术发展为具有电、声、光、磁、热和力学等多种用展为具有电、声、光、磁、热和力学等多种用途。途。10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷1.发动机中的陶

6、瓷发动机中的陶瓷 氮化硅氮化硅(SiN)陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硅(SiC)陶瓷陶瓷 动力机械的工作温度越高，热效率也越高，但要提动力机械的工作温度越高，热效率也越高，但要提高工作温度，就要寻求能在高温下工作的材料。氮化高工作温度，就要寻求能在高温下工作的材料。氮化硅硅陶瓷、碳化硅陶瓷正是这种理想的材料。陶瓷、碳化硅陶瓷正是这种理想的材料。 它们可以用来制作在它们可以用来制作在1200-1400下工作的高温燃下工作的高温燃气涡轮发动机的叶片，可以制作发动机的转子，从而气涡轮发动机的叶片，可以制作发动机的转子，从而使使陶瓷发动机得以实现。陶瓷发动机得以实现。 陶瓷发动机的研制成功既是陶瓷材料发展中

7、的里程陶瓷发动机的研制成功既是陶瓷材料发展中的里程碑，又为汽车、飞机减轻体重、提高速度、节约燃油碑，又为汽车、飞机减轻体重、提高速度、节约燃油提提供了新的途径。供了新的途径。10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷 新型陶瓷还具有体积小、重量轻的优点。新型陶瓷还具有体积小、重量轻的优点。 通常，通常，喷气发动机喷气发动机重量每减轻重量每减轻1千克，千克，飞机飞机的的重量相应可减轻重量相应可减轻4千克，同时飞行上限高度可以千克，同时飞行上限高度可以增加增加10米。米。 可见如果飞机发动机使用了陶瓷发动机，将可见如果飞机发动机使用了陶瓷发动机，将会使飞机的飞行性能更高一筹。会使飞机的飞行性能更高一筹。10.

8、2.2 特种陶瓷特种陶瓷2.切削大王切削大王陶瓷刀具陶瓷刀具 氮化硼（氮化硼（BN）、氮化钛）、氮化钛(TiN)或氮化硅或氮化硅(SiN)材料材料制作的刀具，可在制作的刀具，可在1300-1500的高温下切削的高温下切削HRC60以以上的高硬度材料。上的高硬度材料。 “红硬性红硬性”是评定刀具高温性能的重要指标。是评定刀具高温性能的重要指标。 陶瓷刀具的红硬性比硬质合金要高很多，且没有切削液也可陶瓷刀具的红硬性比硬质合金要高很多，且没有切削液也可正常工作，故可使切削速度大大提高，并延长使用寿命。正常工作，故可使切削速度大大提高，并延长使用寿命。 10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷3.高韧性的陶瓷高

9、韧性的陶瓷 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 利用添加氧化锆的方法，大大提高了陶瓷的强利用添加氧化锆的方法，大大提高了陶瓷的强度和韧性，从而改变了人们对陶瓷力学性能的传统观度和韧性，从而改变了人们对陶瓷力学性能的传统观念。也大大促进了特种陶瓷应用的发展。念。也大大促进了特种陶瓷应用的发展。 氧化锆陶瓷除了常温使用外，已成为绝热柴油氧化锆陶瓷除了常温使用外，已成为绝热柴油机的主要候选材料，如：发动机气缸内衬、推杆、活机的主要候选材料，如：发动机气缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、滑动轴承等等。塞帽、阀座、凸轮、滑动轴承等等。 10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷 氧化锆能够增加陶瓷韧性的原因和氧化锆的氧化锆能够增

10、加陶瓷韧性的原因和氧化锆的相变有关，氧化锆有相变有关，氧化锆有3种晶型转变：种晶型转变： 立方相立方相 四方相四方相 单斜相单斜相 当由四方相向单斜相结构转变时，伴随着约当由四方相向单斜相结构转变时，伴随着约5的的体积膨胀，这种相变很像金属中的马氏体相变。相变体积膨胀，这种相变很像金属中的马氏体相变。相变增韧理论认为，这种相变由于体积膨胀将使周围区域增韧理论认为，这种相变由于体积膨胀将使周围区域出现压应力。当裂纹扩展时，受到上述压应力的作用，出现压应力。当裂纹扩展时，受到上述压应力的作用，裂纹扩展将受到阻碍，从而使强度和韧性得到提高。裂纹扩展将受到阻碍，从而使强度和韧性得到提高。10.2.2

11、特种陶瓷特种陶瓷4.氧化铝陶瓷（高铝陶瓷）氧化铝陶瓷（高铝陶瓷） 以以Al2O3为主含有部分为主含有部分SiO2的陶瓷。的陶瓷。 特点是在氧化性气氛中，可以用到特点是在氧化性气氛中，可以用到1950。 被广泛用于制作耐火砖、坩埚、热电偶套管以及内被广泛用于制作耐火砖、坩埚、热电偶套管以及内燃机火花塞、导弹的导流罩等。燃机火花塞、导弹的导流罩等。 它还有一个突出贡献，是制作高压钠灯的灯管，它它还有一个突出贡献，是制作高压钠灯的灯管，它可以是透明的，在高压高温下不与钠蒸气发生反应，可以是透明的，在高压高温下不与钠蒸气发生反应，又又能把能把95%以上的可见光传送出来。这种灯是目前世界以上的可见光传送

12、出来。这种灯是目前世界上上发光效率最高的灯。发光效率最高的灯。10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷5.压电陶瓷压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTi3）压电陶瓷）压电陶瓷 压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。转换的功能。 在材料某个方向施加压力，则会在特定方向在材料某个方向施加压力，则会在特定方向引起极化，如加上电极，并用导线联结起来，引起极化，如加上电极，并用导线联结起来，就就可观察到由外界应力诱发的电流；可观察到由外界应力诱发的电流； 反之，在一定方向上施加电场，则会发生特反之，在一定方向上施加电场，则会发生特定的形变和位移。定的形变和位移。 10

13、.2.2 特种陶瓷特种陶瓷 压电陶瓷的应用十分广泛，主要用于换能、驱动、压电陶瓷的应用十分广泛，主要用于换能、驱动、频率控制及传感器。频率控制及传感器。 煤气灶上的自动点火器是机械能转换为电能的典型煤气灶上的自动点火器是机械能转换为电能的典型例子。自动点火器中采用了两个压电陶瓷，在人的手指例子。自动点火器中采用了两个压电陶瓷，在人的手指按压时，就可产生大约数干伏的高电压，使得相距几毫按压时，就可产生大约数干伏的高电压，使得相距几毫米的电极之间的空气放电击穿而产生火花。米的电极之间的空气放电击穿而产生火花。 超声技术中，利用压电材料的逆压电效应，在高驱超声技术中，利用压电材料的逆压电效应，在高驱

14、动电场下产生高强度超声波，作为动力应用在超声清动电场下产生高强度超声波，作为动力应用在超声清洗、超声焊接、打孔、粉碎等装置上的机电换能器中。洗、超声焊接、打孔、粉碎等装置上的机电换能器中。 还可以制成电声器件，如扬声器、蜂鸣器等。还可以制成电声器件，如扬声器、蜂鸣器等。 还可用于压力计、流量计、计数器等仪表中。还可用于压力计、流量计、计数器等仪表中。10.2.2 特种陶瓷特种陶瓷还有：还有：电容器中的介电陶瓷电容器中的介电陶瓷利用陶瓷做电子器件中的绝缘基板。利用陶瓷做电子器件中的绝缘基板。具有具有“知觉知觉”的陶瓷的陶瓷热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷等。热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷等。 均属于半导体陶瓷。均属于半导体陶瓷。生物陶瓷生物陶瓷人工骨、人工关节、人工牙根等。人工骨、人工