陶瓷材料课件

陶瓷材料CeramicMaterial《工程材料》多媒体课件主讲人：李安铭

材料科学与工程学院

1/14/20231（2）成型：粉末原料转化成一定体积和强度的成型体，也称素坯。ⅰ.成型在陶瓷烧结致密化中的重要作用：残余应力：烧结过程中即固相扩散物质迁移致密化的驱动力。没有经过压实的粉末，即使在高温下（＜Tm）烧结，也不会产生致密化而形成陶瓷。加压成型一定形状减少孔隙度残余应力材料科学与工程学院1/14/20232AnmingLi,DeptofMSE,hpuⅱ.成型工艺：

a:干压成型：单轴向压制成型。密度、应力不均匀，易产生分层，压力高时尤为明显。适用范围：形状简单、横截面积大，但高度小的样品。干压成型冷等静压成型热等静压成型成型工艺b:冷等静压成型：优点：坯体密度均匀、无缺陷，用于长径比大、形状复杂的零件，压力可加到400—500MPa，为后续烧结致密化创造有利条件。材料科学与工程学院1/14/20233AnmingLi,DeptofMSE,hpu（3）、烧结：将坯体加热到高温，通过固相或部分液相扩散，使物质迁移而消除孔隙，形成特定的显微组织结构的工艺过程。常压烧结热压烧结热等静压烧结

烧结时生坯在高温下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，形成致密、坚硬的具有某种显微结构的烧结体。材料科学与工程学院1/14/20234AnmingLi,DeptofMSE,hpub：热压烧结：加温同时加压的烧结方式，一般单轴向加压。优点：减少气孔率，提高致密度，降低烧结温度。c：热等静压:等静压与加热的结合，只能通过气体加压。目前，该方法压力可达2000MPa，温度可达2000℃。a:常压烧结法：

又称无压烧结在大气中烧结。材料科学与工程学院1/14/20235AnmingLi,DeptofMSE,hpu三、陶瓷的基本相：相组成、结构、数量、几何形状及分布影响陶瓷的性能。1、晶相：主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。例1：氧化铝刚玉陶瓷，机械强度高，耐高温，抗腐蚀。例2：钛酸钡、钛酸铅晶体是很好的介电陶瓷。陶瓷基本相晶相玻璃相气相材料科学与工程学院1/14/20236AnmingLi,DeptofMSE,hpua.晶相：一般由离子键或共价键结合而成，结构形式主要有两种：即氧化物结构和硅酸盐结构。b.陶瓷晶体中的缺陷：同金属一样，存在点（空位，间隙原子）、线（位错）和面缺陷（晶界，亚晶界），这些缺陷也影响性能，包括一些物理性能，例如光学性能，电学性能等。材料科学与工程学院1/14/20237AnmingLi,DeptofMSE,hpu陶瓷晶体一般为多晶体，晶粒越小，强度越高。

晶粒直径u193.290.554.325.111.58.76.71.8抗折强度75.2140.3203.8311.1431.1483.6484.8581刚玉陶瓷晶粒尺寸与抗拉强度

晶粒直径u102＜1介电常数120030004000钛酸钡陶瓷晶粒尺寸与介电常数

c.同素异构转变：晶相中一些化合物存在同素异构转变。例：二氧化硅该转变伴随体积的改变，产生很大的内应力，甚至开裂。材料科学与工程学院1/14/20238AnmingLi,DeptofMSE,hpu2.玻璃相：非晶态固体，陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应后，形成液相，冷却凝固而成。玻璃相作用粘结晶相降低烧结温度抑制晶粒长大填充气孔缺点：熔点低，热稳定性差，在较低温度下开始软化，致陶瓷在高温下发生蠕变。例如：SiN陶瓷，膜厚仅0.2-0.8nm，但严重影响高温蠕变和断裂应力。

材料科学与工程学院1/14/20239AnmingLi,DeptofMSE,hpu解决方法：i：限制玻璃相不超过20-40%。ii：添加一些元素，使玻璃相最后溶入晶相。例：三元系锆钛酸铅，加上2％molCdO（氧化镉）及少量的SiO2，在900℃烧结时，烧成后期，大部分液相又固溶到晶粒内。材料科学与工程学院1/14/202310AnmingLi,DeptofMSE,hpu3.气相：

指陶瓷中的气孔。气孔率通常占5—10%。1）产生及影响因素：

与原材料的结构、水分、烧成工艺有关。气孔是不可避免的。可以做到：力求气孔细小、球状、均匀分布，减少不利影响。2）气孔的影响：影响非常显著。i：有害的影响：降低强度，绝缘性下降。ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。材料科学与工程学院1/14/202311AnmingLi,DeptofMSE,hpu四、陶瓷的性能：1.力学性能:1）弹性性能：陶瓷的应用中，只产生弹性变形。i：弹性模量E比金属高;

材料WCSiCAl2O3SiO2玻璃低合金钢弹性模量×105MPa4-6.54.53.99.43.5-4.52-2.1几种陶瓷的E值ii：致密度对陶瓷材料的弹性模量影响很大，

随气孔增加，E值急剧下降。材料科学与工程学院1/14/202312AnmingLi,DeptofMSE,hpu2）硬度：

硬度是陶瓷材料重要的力学性能参数。

陶瓷具有高硬度，大多在HV1500以上。氮化硅和立方氮化硼（70）接近金钢石（90）的硬度，淬火钢：500-800HV。陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。

陶瓷硬度的测定方法：维氏硬度HV（最常用）、显微硬度Hm、洛氏硬度HR、莫氏硬度。材料科学与工程学院1/14/202313AnmingLi,DeptofMSE,hpu3）强度：

由化学键所决定，室温下陶瓷几乎不产生滑移和位错运动。材料科学与工程学院1/14/202314AnmingLi,DeptofMSE,hpu

室温下陶瓷很难产生塑性变形，其破坏方式为脆性断裂。故室温下只有断裂强度σf。σf表示弹性变形达到极限程度而发生断裂的应力。陶瓷断口材料科学与工程学院1/14/202315AnmingLi,DeptofMSE,hpuσf的影响因素：

i.气孔率：气孔降低承载面积，并引起应力集中。气孔率高，强度急剧下降，例气孔率10%，强度下降到无气孔时的一半。ii.晶粒尺寸：晶粒越细，σf越高。iii.晶界相的性质、厚度、晶粒形状：晶界相最好能阻止裂纹的扩展，玻璃相对σf不利。晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒。材料科学与工程学院1/14/202316AnmingLi,DeptofMSE,hpu高强度陶瓷的组织要求：

晶粒尺寸小，晶体缺陷少晶粒尺寸均匀，等轴晶界相含量适中，减少脆性玻璃相减少气孔率高强度陶瓷

块状纤维晶须Al2O3280210021000Si3N4120-14014000不同截面大小陶瓷的强度值：MPa尺寸越小，缺陷产生的几率越小,强度越高。材料科学与工程学院1/14/202317AnmingLi,DeptofMSE,hpu２.热性能：

指熔点、热膨胀、导热率、热容量。i.熔点：具有高的熔点，多数在2000℃以上。ii.热容：改变材料温度水平时所需的热量，通常以比热的形式给出。气孔率大，热容小。iii.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6／Ｋ，结构紧密，膨胀系数大。iv.热传导：在一定温度梯度下热量在材料中传递的速率。ｖ.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力。陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。

材料科学与工程学院1/14/202318AnmingLi,DeptofMSE,hpu陶瓷材料因高熔点、高硬度、较好的化学稳定性、很强的抗氧化性，广泛用作高温材料。例：特殊的冶金坩埚：BeO、AlN、火箭、导弹的雷达保护罩：Al2O3、ZrO2燃烧室喷嘴：SiC,BeO电炉发热体：ZrO,SiC材料科学与工程学院1/14/202319AnmingLi,DeptofMSE,hpu３.其它物理、化学性能：

i：高电阻：良好的绝缘体。半导体陶瓷、压电陶瓷等。ii：特殊光学性能：固体激光材料：红宝石；光导纤维：玻璃纤维。iii：磁性陶瓷：又名铁氧体，由Fe2O3和Mn、Zn的氧化物组成。iv：高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化。对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。材料科学与工程学院1/14/202320AnmingLi,DeptofMSE,hpu常用陶瓷第二节CeramicinCommonUse1/14/202321AnmingLi,DeptofMSE,hpu原材料粘土（Al2O3·2SiO2·H2O）长石（K2O.Al2O3.6SiO2；Na2O.Al2O3.6SiO2）石英（SiO2）一、普通陶瓷：坚硬，不氧化、不导电，成型性好，耐1200℃高温，成本低廉。强度低，高温下玻璃相易软化。性能耐酸碱容器日用陶瓷绝缘电磁用途材料科学与工程学院1/14/202322AnmingLi,DeptofMSE,hpu采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。

二、特种陶瓷：材料科学与工程学院1/14/202323AnmingLi,DeptofMSE,hpu1、氧化物陶瓷：

氧化铝陶瓷

以Al2O3为主要成分，75瓷（75%Al2O3）又称刚玉-莫来石瓷；95瓷（95%Al2O3）和99瓷（99%Al2O3）。

后两者称刚玉瓷。氧化铝陶瓷密封环氧化铝瓷缺点是脆性大，抗热振性差.耐蚀性及绝缘性好；耐高温，能在1600℃高温下长期工作；硬度高，有很好的耐磨性；强度高，比普通瓷高5～6倍；材料科学与工程学院1/14/202324AnmingLi,DeptofMSE,hpu牌号AL2O3（％）相对密度硬度（莫氏）抗压强度Mpa抗拉强度Mpa85瓷853.459180015096瓷963.729200018099瓷993.9092500250材料科学与工程学院性能：AL2O3含量越高，性能越好，用途：工具、量具、模具、轴承、坩锅、热电偶套管等。缺点：脆性大、抗热震性差。氧化铝陶瓷的性能1/14/202325AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院1/14/202326AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚

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。

1/14/202327AnmingLi,DeptofMSE,hpu

氧化锆陶瓷

氧化锆陶瓷的熔点在2700℃以上，使用温度为2000～2200℃，能抗熔融金属的侵蚀。用氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPa·m1/2，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍。

应用：可代替金属制造模具、拉丝模、泵叶轮，还可制造汽车零件。材料科学与工程学院1/14/202328AnmingLi,DeptofMSE,hpu

氧化镁/钙陶瓷

通常由热白云石（镁/钙的碳酸盐）矿石除去CO2而制成，其特点是能抗各种金属碱性渣的作用，常作炉衬的耐火砖。缺点是热稳定性差，MgO在高温下易挥发，CaO甚至在空气中就易水化。

氧化铍陶瓷

氧化铍陶瓷最大的特点是导热性好，具有很高的热稳定性，抗热冲击性较高，经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。

材料科学与工程学院1/14/202329AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院1/14/202330AnmingLi,DeptofMSE,hpu

2、氮化物陶瓷：氮化硅陶瓷：

以Si3N4为主要成分的陶瓷

材料科学与工程学院氮化硅的制备:工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO

氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。1/14/202331AnmingLi,DeptofMSE,hpu按制造工艺分：热压烧结氮化硅（β-Si3N4）陶瓷；

反应烧结氮化硅（α-Si3N4）陶瓷。

热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷有20%～30%气孔.

材料科学与工程学院烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低1/14/202332AnmingLi,DeptofMSE,hpu特点：（1）硬度高，摩擦因子小

只有0.1～0.2，具有自润滑性；（2）蠕变抗力高，热膨胀系数小

抗热振性能在陶瓷中最佳，比Al2O3瓷高2～3倍；（3）化学稳定性好

抗氢氟酸以外的各种无机酸和碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀；（4）具有优异的电绝缘性能。材料科学与工程学院1/14/202333AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院Si3N4轴承应用：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。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1/14/202334AnmingLi,DeptofMSE,hpu

氮化硼陶瓷

氮化硼陶瓷的主要晶相是BN，属于共价晶体，其晶体结构与石墨相仿，为六方晶格。

特点：具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当；热膨胀系数小，绝缘性好，化学稳定性高；硬度较其它陶瓷低，可进行切削加工；有自润滑性。

应用：制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。材料科学与工程学院1/14/202335AnmingLi,DeptofMSE,hpu

包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。

特点：具有很高的熔点、硬度和耐磨性

缺点：耐高温氧化能力差，脆性极大

3、碳化物陶瓷：材料科学与工程学院1/14/202336AnmingLi,DeptofMSE,hpu

碳化硅陶瓷：碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为3.2×103kg·m-3，弯曲强度和抗压强度分别为200～250MPa和1000～1500MPa，硬度为莫氏9.2。

特点：热导率高，而热膨胀系数小。

应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。

材料科学与工程学院1/14/202337AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO

碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。常压烧结碳化硅1/14/202338AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院

碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。

SiC密封件1/14/202339AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院

碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。SiC陶瓷件SiC陶