教学材料《材料》-项目十六

16.1陶瓷材料基础陶瓷是由金属和非金属元素组成的无机非金属材料的通称。传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器，但也包括玻璃、水泥、砖瓦、耐火材料、搪瓷、石膏、石灰等人造无机非金属材料。它们来源于共同的原料—天然硅酸盐材料，即含二氧化硅的化合物，如茹土、石灰石、石英、长石、砂等。在现代工业中应用的陶瓷是一种无机非金属材料，它与传统的陶瓷材料概念是不同的。由于近年来陶瓷材料发展迅速，许多新型陶瓷的成分远远超出硅酸盐的范畴，陶瓷的性能面临重大突破，陶瓷的应用已渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域。现代陶瓷已经同金属、高分子化合物一起成为工程中的支柱性材料。下一页返回16.1陶瓷材料基础16.1.1陶瓷材料的分类陶瓷有多种的分类方法，一般人们习惯按以下四个方面进行分类。

(1)按用途来分，可分为日用陶瓷、艺术(陈列)陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、电器陶瓷、电子陶瓷、化工陶瓷、纺织陶瓷等。(2)按是否施釉来分，可分为有釉陶瓷和无釉陶瓷两类。(3)人们为了生产、研究和学习上的方便，有时不按化学组成，而根据陶瓷的性能，把他们分为高强度陶瓷、铁电陶瓷、耐酸陶瓷、高温陶瓷、压电陶瓷、高韧性陶瓷、电解质陶瓷、光学陶瓷(即透明陶瓷)、磁性陶瓷、电介质陶瓷和生物陶瓷等。上一页下一页返回16.1陶瓷材料基础(4)可简单分为硬质瓷、软质瓷和特种瓷三大类。我国所产的瓷器以硬质瓷为主。硬质瓷器，胚体组成熔剂量小，烧成温度高，在1360℃以上，色白质坚，呈半透明状，有较好的强度、高的化学稳定性和热稳定性，又是电气的不良传导体，如电瓷、高级餐具瓷、化学用瓷和普通日用瓷等均属此类，也可叫长石釉瓷。软质瓷和硬质瓷不同点是胚体内含的熔剂较多，烧成温度稍低，在1300℃以下，因此它的化学稳定性、机械强度、介电强度均低，一般工业瓷中不用软质瓷。上一页下一页返回16.1陶瓷材料基础其特点是半透明度高，多制美术瓷、卫生用瓷、瓷砖及各种装饰瓷等，通常如骨灰瓷、熔块瓷属于此类。特种瓷种类很多，多以各种氧化物为主，如高铝质瓷，它是以氧化铝为主;镁质瓷，以氧化镁为主;滑石质瓷，以滑石为主;被质瓷，以氧化被和绿柱石为主;错质瓷，以氧化错为主;钛质瓷，以氧化钛为主。上一页下一页返回16.1陶瓷材料基础16.1.2陶瓷制品的成型陶瓷制品的种类繁多，生产工艺过程也不相同，但是，一般都要经历原料制备、成型和烧结三个阶段。1.原料制备原料的加工会直接影响到成型的加工性能和陶瓷制品的使用性能，如为了控制制品的晶粒大小，要将原料粉碎，磨细到一定粒度。对原料要精选，去除杂质。为了控制制品的使用性能，要按一定配比配料。原料加工后，根据成型工艺的要求，制备成粉料、浆料或可塑泥团。2.成型上一页下一页返回16.1陶瓷材料基础陶瓷制品的成型，可以采用不同的方法。(1)可塑成型。通过手工或机械挤压、车削，使可塑泥团成型。(2)压制成型。将含有一定水分和添加剂的粉料，在模具中用较高的压力压制成型。(3)注浆成型。它是将浆料注入模具成型。这种成型方法常用于制造形状复杂、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。有烧结的陶瓷坯料是许多固体颗粒的堆积。因此，成型以后的陶瓷制品经初步干燥后，可涂釉或直接送去烧结。上一页返回16.2陶瓷的组织结构16.2.1晶体相晶体相是一些化合物或以化合物为基的固溶体，是陶瓷材料的主要组成相。当存在几种晶体相时，又可分为主晶相、次晶相及第三晶相等。但陶瓷的力学性能、物理性能、化学性能主要取决于主晶相，它的结构、数量、形态和分布决定了陶瓷的主要特点和应用。陶瓷中的晶体相一般有这样几类:氧化物(如氧化铝、氧化钦等)，非氧化物(如碳化物、氮化物等)，含氧酸盐(如硅酸盐、钦酸盐、错酸盐等)。下一页返回16.2陶瓷的组织结构1.氧化物晶体相氧化物是许多陶瓷尤其是特种陶瓷的主要组成部分，也是主要的晶体相。它们以离子键结合为主构成离子晶体，也有一定成分的共价键。2.非氧化物晶体相非氧化物是指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。它们是特种陶瓷尤其是金属陶瓷中的晶体相，主要以共价键结合构成共价晶体并含有一定成分的金属键和离子键。硅酸盐的结合键为离子键与共价键的混合键，习惯上称离子键，是普通陶瓷组织中的主要晶体相。上一页下一页返回16.2陶瓷的组织结构16.2.2玻璃相玻璃相与晶相的本质差别在于玻璃相原子排列的无序。玻璃相在陶瓷材料中起着以下几方面的作用:(1)将晶体相粘连起来，填充晶体相之间的空隙，提高材料的致密度;(2)降低烧成温度，加快烧成过程;(3)阻止晶体转变，抑制晶体长大;(4)获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。上一页下一页返回16.2陶瓷的组织结构由于玻璃相的熔点低、热稳定性差，是陶瓷在高温下容易产生蠕变，从而降低高温下的强度。此外，玻璃相对陶瓷材料的介电性能、耐热性能和耐火性能等都是不利的，所以它不能成为陶瓷的主导组成相，一般体积分数不应大于20%~40%。上一页下一页返回16.2陶瓷的组织结构16.2.3气相气相是指陶瓷组织内部残留下来的气孔。陶瓷组织中的气孔可分为两类:

开放型气孔:可从陶瓷的内部通向其表面，它的存在会造成制品中出现虹吸现象，使陶瓷的性能恶化，因此这类气孔是要力求避免的;

封闭型气孔:存在于陶瓷内部的气孔，它们可以分布在晶粒内，也可分布在晶界上，甚至玻璃相中也会有气孔。气孔是应力集中的地方，常常是裂纹的发源处。因此气孔的存在对陶瓷的力学性能会带来不利的影响。另外，上一页下一页返回16.2陶瓷的组织结构气孔的存在还会使陶瓷材料的介电损耗增大，抗电击穿强度下降，热导率下降，还可使光线散射而降低陶瓷的透明度。因此，除了特制的多孔陶瓷外，还希望尽量降低气孔的含量。一般普通陶瓷的气孔率为5%~10%，特种陶瓷在5%以下。上一页返回16.3陶瓷的性能及应用普通陶瓷的典型组织由晶体相、玻璃相和气相三部分组成。下一页返回16.3陶瓷的性能及应用16.3.1陶瓷的性能陶瓷材料的结合键与其多相的组织结构，决定了它的性能与金属材料及高分子材料相比有很大的差异。陶瓷的性能可从力学性能、物理性能和化学性能三个方面讨论。1.力学性能

(1)弹性。陶瓷材料弹性模量高、刚度大，是因为陶瓷材料有牢固的离子键与共价键所致。金属材料的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标，对其合金化、热处理、冷热加工均不敏感。而陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布、比例及气孔率的大小有关。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用(2)强度。陶瓷材料的键结合力强，弹性模量高，它的强度理应很高。然而，由于陶瓷的成分、组织都不单纯，内部杂质多，存在各种缺陷且有大量气孔(其作用相当于裂纹)，致密度小，因此，其实际抗拉强度比它本身的理论强度要低得多。例如，氧化铝，理论抗拉强度为4x105MPa，普通烧结氧化铝陶瓷的抗拉强度只有2x103~2.7x103MPa，约为理论值的1/200。而一般金属材料的实际抗拉强度和理论抗拉强度的比值高达1/50~1/30。

陶瓷材料的抗拉强度虽低，但抗弯强度较高，而抗压强度更高，一般比抗拉强度高一个数量级。如氧化铝陶瓷室温下的抗拉强度为255MPa，抗压强度为2100~3000MPa。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用这是因为陶瓷在拉应力作用下由于气孔的应力集中作用，使裂纹迅速扩展，并引起脆断，所以抗拉强度低，但在压应力作用下，裂纹趋于弥合状态不易扩展，从而表现出抗压强度高。增大陶瓷的致密度、减少缺陷，可使强度大幅度提高。例如，热压氮化硅陶瓷在致密度增大、气孔率接近于零时，强度可接近理论值。此外，陶瓷的晶粒越细小，强度也越高，这些都与金属材料极为相似。陶瓷一般还具有优于金属的高温强度，其高温抗蠕变能力强，有很高的抗氧化性，适宜作高温材料。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用

(3)塑性。绝大多数陶瓷材料在室温下拉伸时，其伸长率为零，反映不出塑性。

(4)韧性。由于陶瓷材料室温下塑性变形困难，加之内部有气孔存在，故表现出极低的韧性，其冲击韧度值及断裂韧度值都很低。与金属对比，陶瓷材料属于脆性材料，故极易发生脆性断裂。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。对氧化物及非氧化物陶瓷可采用氧化错来增韧。经增韧的氧化物陶瓷含有一定数量弥散分布的亚稳态氧化物，当受到外力作用时，这些氧化物发生相变而吸收能量，使裂纹的扩展减慢或终止，从而提高陶瓷的韧性。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用2.物理性能(1)热膨胀、导热性和热稳定性。多数陶瓷的热膨胀系数低于高聚物，比金属低得多。陶瓷导热性差，多为较好的绝热材料。热稳定性是指材料在温度急剧变化时抵抗破坏的能力，一般用材料放入水中急冷而不破裂所能承受的最高温度来表达。例如，日用陶瓷的热稳定性为220℃。热稳定性与热膨胀系数、导热性和韧性有关。热膨胀系数大、导热性差、韧性低的材料热稳定性不高。多数陶瓷的导热性和韧性低，所以热稳定性差，尤其在急冷或急热时陶瓷内部形成较大的温度梯度，引起很大的热应力导致开裂。但也有些陶瓷具有相对高的热稳定性，例如碳化硅陶瓷等。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用(2)导电性和光学特性。陶瓷的电性能变化范围很大。多数陶瓷具有良好的绝缘性能，因为它们不像金属那样有自由运动的电子。但还有些陶瓷具有一定的导电性，随着科学技术的发展，这类陶瓷的电性能得到了开发，例如压电陶瓷、半导体陶瓷以及超导陶瓷等。陶瓷材料由于存在晶界、气孔，一般是不透明的。但近年来的研究表明，可将某些原是不透明的氧化物陶瓷烧结成透明陶瓷。这使有些陶瓷不仅具有透光性，而且具有导光性、光反射性等功能，可作透明材料、红外光学材料、光传输材料、激光材料等，我们将此称为光学陶瓷。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用3.化学性能以离子晶体为主的陶瓷中，室温下、高温下均不会氧化(金属原子被氧原子所包围，屏蔽在紧密排列的氧原子间隙之中，形成稳定的化学结构)。陶瓷对酸、碱、盐等的腐蚀也有较强的抵抗能力，还能抵抗熔融的非铁金属(如铝、铜等)的侵蚀。但在某些情况下也会产生腐蚀，例如高温熔盐、氧化渣等，会使某些陶瓷材料受到腐蚀破坏。除上述性能外，陶瓷还具有其独特的光学性能，可用做固体激光器材料、光导纤维材料、光存储材料等。这些材料的研究和应用，对通信、摄影、计算机技术等发展具有重要的现实意义。透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷(以上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用氧化铁为主要成分，如Fe304,CuFe204,MgFe204)在录音磁带、唱片、变压器铁芯等方面有着广泛的前途。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用16.3.2常见工艺陶瓷1.普通陶瓷普通陶瓷产量大，质地坚硬，具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和绝缘性，成本低、加工成形性好，但强度低。广泛用于日用、电器、化工、建筑、防治行业。如化工用的耐酸容器、管道等，供电系统中的绝缘子，日常生活用的餐具、装饰瓷等。2.特种陶瓷上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用

(1)氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷的主要成分是Al2O3和SiO2,Al2O3的含量越高，性能越好。一般Al2O3的体积分数都在95%以上，故又称高铝陶瓷。其主晶相是刚玉(α-Al2O3)晶体，高铝陶瓷中的玻璃相与气孔都很少。氧化铝陶瓷的性能特点:硬度高，仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅;耐高温，其熔点可达2050℃，可在1600℃下长期使用;耐酸碱的侵蚀能力强;韧性低、脆性大，不能承受温度的急剧变化。作为高速切削的刀具，在切削条件相同的情况下，它有着比高速钢更高的软化温度。如含钻的高速钢刀具软化至55HRC硬度时的温度只在600℃左右，而氧化铝陶瓷刀具可达到1200℃。上一页下一页返回16.3陶瓷的性能及应用因此，氧化铝陶瓷主要用来制作切削刀具，加工那些难以切削的材料，也可制作磨具及熔化金属的柑祸、高温热电偶、保护套管等。

(2)氮化硅陶瓷。氮化硅(Si3N4)为六方晶系的晶体，它具有极强的共价键，其强度随制造工艺不同有很大的差异。如采用热压烧结的氮化硅陶瓷，其气孔率接近于零，因此抗弯强度可高达800~1000MPa，高于其他烧结方法