渭师院无机非金属材料课件第3章 陶瓷材料

第3章陶瓷材料教学重点：1.陶瓷的组织结构2.陶瓷的机械性能、热学性能及其他性能教学难点：陶瓷组织结构每一部分组成的特点、作用。本章教学要求：通过本章的教学，要使学生了解陶瓷的分类、制备工艺及传统和新型陶瓷，增长学生对陶瓷结构和性能的认识，达到运用所学知识改性陶瓷。2009-12-1材料制备技术陶器时代世界上第一种人造材料----制出的陶器，盛裝液体的容器和煮食物的陶罐

----吃不完的東西有了储存的地方

----便于人們定居

----进一步发展农牧业

----划时代之伟大发明1.概述2009-12-1材料制备技术秦兵马俑2009-12-1材料制备技术瓷器----纯净的粘土（又叫瓷土、高岭土）和石英、长石等原料配成泥浆，作成毛坯

----烧好粗坯，再上釉

----在一千三百度左右高溫下，经过复杂的化学变化，同釉密切的結合而成

----质地细致，半透明，不吸水从陶器到瓷器2009-12-1材料制备技术我国陶瓷的发展经历了三个阶段取得了三个重大突破陶器原始瓷器瓷器原料的选择和精制窖炉的改进和烧成温度的提高釉的发现和使用2009-12-1材料制备技术2.陶瓷材料的定义传统上：陶瓷——指陶器和瓷器的统称。

发展延伸：陶瓷——凡是经原料配制、坯料成型、窖炉烧成工艺制成的产品。现代：陶瓷——所有无机非金属材料，不仅包括多晶体，还包括单晶体。陶瓷材料的定义几经变迁，不断延伸：2009-12-1材料制备技术3.陶瓷材料的分类（1）根据陶瓷坯体结构及其基体物理性能的差异，陶瓷制品可分为：陶器瓷器细瓷特种陶瓷日用细瓷（碗、盆、壶等，高频高压装置瓷等）氧化物陶瓷、压电陶瓷、铁氧体陶瓷等。粗陶精陶瓦、罐、盆等砖、陶管等美术陶、釉面砖等坯体结构较疏松，致密度较低，有一定的吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面呈面状或贝壳状。相对于陶瓷而言，瓷器的结构坯体较致密，吸水率≤3%，具有一定的透光性。2009-12-1材料制备技术（2）根据概念和用途不同，可分为两大类：普通陶瓷特种陶瓷

用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其他天然矿物原料经过粉碎混炼、成型、烧结等过程而制成的各种制品。日用陶瓷卫生陶瓷建筑陶瓷化工陶瓷结构陶瓷：主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐冲击、硬质及高刚性等场合。功能陶瓷：主要包括电磁功能、光电功能、生物功能、核功能及其他功能陶瓷材料。2009-12-1材料制备技术4.陶瓷材料的特性陶瓷材料具有很多优良的特性，如：具有熔点高、硬度大、耐腐蚀、抗氧化、化学稳定性好和强度高等优点。能够在各种苛刻的环境下工作，具有广泛的用途，是一种重要的结构和功能材料。但，陶瓷材料塑性变形能力差，易发生脆性破坏，不易加工成型。2009-12-1材料制备技术5.陶瓷材料的组成相及其结构陶瓷材料的特性主要是由它的物质结构和微观组织的特点所决。陶瓷的结合键是离子键、共价键和混合键。陶瓷材料结构的另一特点是显微组织的不均匀性和复杂性。

陶瓷材料的基本相及其结构要比金属材料复杂得多。将陶瓷材料经切割、磨制和腐蚀后制成试样，放在显微镜下观察，可看到陶瓷材料通常是由三种不同的相组成，即晶体相、玻璃相和气相。2009-12-1材料制备技术（1）陶瓷的晶体结构晶体相是陶瓷材料中最主要的组成相，尤其是主晶相——决定陶瓷的物理化学性能。例如：Al2O3刚玉瓷，晶体组成结构紧密，具有机械强度高，耐高温，耐腐蚀性能。

BaTiO3，PbTiO3瓷：晶体在居里点附近有很大的介电常数，可组成性能优良的介电陶瓷。晶体结构主要取决于原子间化学键的结合类型。2009-12-1材料制备技术（a）氧化物结构氧化物结构通常以离子键结合：AmXn，一般，r氧>r阳。结构特点：以大直径的氧离子作为骨架，组成六方或面心立方紧密堆积点阵，小直径的阳离子处于骨架的间隙处。最简单的氧化物型——AX型如：MgO，NaCl，MnO，CaO等。AX2和AX3型——有较多的阳离子空位加上外场，可发生阳离子的定向迁移，故这类氧化物具有导电性。MgO晶体结构2009-12-1材料制备技术（b）硅酸盐结构硅酸盐结构基本特点：基本结构单元——硅氧四面体[SiO4]，离子键和共价键的混合键结合。每个氧最多只能被两个硅氧四面体所共有。[SiO4]中Si-O-Si的结合键的键角一般为145°。[SiO4]可孤立，也可相互连接成链状、平面及三维网状结构，故有无机高聚物之称。硅氧四面体[SiO4][SiO4]的作用——链接。2009-12-1材料制备技术（c）其他类型的晶体结构碳化物结构具有高熔点、高硬度、导电、导热等良好性能。根据金属原子半径（Rmc）和碳原子半径（Rc）不同，可分为两类：Rc/Rmc≤0.59：间隙相，C嵌入到R晶格的间隙中。Rc/Rmc≥0.59：复杂晶体结构，如Fe2C为正交晶系。在大多数过渡金属碳化物晶体中，金属和碳之间的键是属于共价键和金属键之间的过渡状态。非金属碳化物中，SiC是共价键化合物，具有与金刚石类似的结构，具有高熔点，高强度。2009-12-1材料制备技术氮化物结构类似于碳化物，N的金属性比C弱，有一定的离子键结合，所以高温强度好、耐冲击性好，抗氧化能力强。如：Si3N4、BN、AlN是很有前途的耐热结构材料。硼化物结构类似于硅化物，比碳化物和氧化物要复杂得多。硼原子可形成链状、网络和空间骨架形式，金属原子位于其间隙或者组成独立的结构单元。硼原子之间是共价键结合，故耐高温、抗腐蚀。2009-12-1材料制备技术（d）陶瓷材料中的晶体缺陷点缺陷包括空位、空隙原子核电子空穴等。产生于原子的热运动和热激发，常称之为“热缺陷”。温度↑，点缺陷浓度↑↑，陶瓷的烧结和扩散等物理化学过程与热缺陷的运动有关。点缺陷可用于改进陶瓷材料的导电性能，烧结性能，已经掺杂改性等。例如：将微量的La3+固溶于钛酸钡，由于La3+置换Ba2+，放出自由运动的电子，从而形成半导电性的钛酸钡。2009-12-1材料制备技术线缺陷主要指位错，包括刃位错、螺位错和混合位错等。形成线缺陷的能量比热缺陷的能量大几个数量级。线缺陷不能在热涨落中产生，只能在固化冷却或机械加工中产生。陶瓷材料中的位错密度很低，对陶瓷材料性能的影响也远不如金属材料那么大。线缺陷影响陶瓷材料的强度、电学和光学性能。2009-12-1材料制备技术面缺陷包括晶体表面、晶界和亚晶界、嵌镶结构等。晶体表面的原子或离子有未饱和键，并且由于不对称造成晶格畸变，所以表面具有很强的反应活性和很高的表面能。陶瓷具有强烈的降低其表面能，力求处于更稳定的能量状态的倾向，所以，陶瓷材料表面能很快从空气中吸附氧以降低表面能，形成面缺陷。2009-12-1材料制备技术陶瓷材料对表面缺陷极其敏感，即使表面由极小的裂纹，也会是陶瓷材料的性能大大降低。但在实际生产中要完全消除表面缺陷是很困难的，在陶瓷表面施釉，平滑的釉层形成了新的表面，减少了缺陷的暴露，对机械强度的改善是有利的。陶瓷是由微细颗粒的原料烧结而成的，多晶粒之间必然存在晶界，由于晶格畸变，晶界内的能量是很高的，可以通过添加某种杂质的办法改善陶瓷的性能。晶界主要影响陶瓷材料的力学性能、透光性和导电性等。2009-12-1材料制备技术（2）玻璃相结构玻璃相的作用：填充晶粒间隙、粘结晶粒，使陶瓷材料致密。降低烧成温度，加速烧结过程。阻止晶体转变，抑制晶体长大。获得一定程度的玻璃特性，如透光性及光泽等。固体材料结构

晶态：原子周期规整排列（长程有序）

非晶态：原子无规则排列（短程有序）——玻璃和非金属2009-12-1材料制备技术玻璃的性能及其对陶瓷材料的影响粘度对陶瓷的烧成工艺及高温性能的影响。温度↑，粘度↓↓，（指数关系）加入调整剂，如Na2O，PbO等，可以使Si-O网络破裂，粘度↓；而加入Al2O3又可将破断网络“缝合”，使粘度回升。玻璃的膨胀系数对陶瓷材料的影响。例如，加入氧化物调整剂，可使其膨胀系数剧增。玻璃的导热系数比同成分的晶态小，且随温度升高，导入系数略有上升，而晶体导热系数随温度上升而下降，所以，陶瓷是热的不良导体。玻璃的化学温度性与玻璃的化学成分、温度及腐蚀时间有关，SiO2-Al2O3-B2O3玻璃化学稳定性最好。玻璃的力学性能是硬度大、脆性也大。2009-12-1材料制备技术（3）气相各种陶瓷材料中气孔的含量差别很大，可以在0~90%之间变化，一般为5~10%（体积比）。分为开口气孔和闭口气孔。开口气孔影响材料透气性、真空致密性、催化反应表面活性和化学腐蚀性。还使陶瓷材料导热率下降，介电损耗增大、抗电击穿强度降低。气孔还是应力集中的地方，并且有可能直接发展成为裂纹，将使材料强度大大降低。因光线散射而使陶瓷的透明度降低。2009-12-1材料制备技术另一方面，制备比重小、绝热性好的陶瓷，则希望含有尽可能多的、大小一致、分布均匀的气孔。气孔相可以通过显微镜测定，对于很小的气孔，则可以用X射线小角散射法测定。2009-12-1材料制备技术（4）结论陶瓷材料几乎都是由一种或多种晶体组成。晶体周围通常都被玻璃体包围着，有时在晶体内或晶界外还有气孔。由不同种类、不同数量、不同形状和分布的晶体相、玻璃相和气相就组成了具有各种物理和化学性能的陶瓷材料。2009-12-1材料制备技术6.传统陶瓷的制备工艺坯料制备成型烧结2009-12-1材料制备技术（1）传统陶瓷的原料可塑性原料是一种含水的硅酸盐矿物。具有独特的可塑性和结合性。非可塑性原料化学成分为SiO2，在加热过程中会发生晶型的转变。非可塑性原料属于网架状硅酸盐结构起到高温热塑作用与高温胶结作用，防止高温变形。构成瓷的玻璃基质。石英长石黏土2009-12-1材料制备技术可塑性原料起塑化和结合作用，赋予坯料以塑性和注浆成形性能，保证干坯强度和烧结后的各种使用性能。是成形能够进行的基础，也是黏土质陶瓷的成瓷基础。非可塑性原料降低坯体的黏性，提高液相黏度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架作用。2009-12-1材料制备技术（2）坯料的制备坯料——是指将陶瓷原料经挑选、破碎等工序后，进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成型性能的多组分混合物。坯料制备一般包括配料和坯料混合制备两部分。根据含水量不同，坯料分为三类：注浆料、可塑料和压制粉料。2009-12-1材料制备技术在坯科制备过程中质量应符合下列要求：(a)坯料的成分应和配方一致，不能有杂质混入。

(b)各种组分混合要均匀，包括主要原料、水分和塑化剂等在坯料中都应均匀分布，否则会出现组分偏析，从而影响产品质量。

(c)各组分的颗粒度要符合要求．以减少成型和干燥过程中的废品。

(d)可塑和注浆成型用的坯料中空气含量应尽量减少，以免降低坯体的强度和产品的机电性能。2009-12-1材料制备技术可塑坯料的制备对可塑坯料的要求：在含水量低的情况下有良好的可塑性，同时坯料中各种原料与水分应该混合均匀以及含空气量少。2009-12-1材料制备技术流程一流程二2009-12-1材料制备技术流程三流程四2009-12-1材料制备技术注浆坯料的制备对注浆坯料的要求：在含水量较低的情况下具有良好的流动性、悬浮性与稳定性，料浆中各种原料与水分均匀混合，而且料浆具有良好的渗透性。这些性能主要通过调整坯料配方和加入合适的电解质来解决。2009-12-1材料制备技术2009-12-1材料制备技术压制坯料的制备压制坯料的含水量低，对原料塑性要求不高，但是要求粉料具有良好的流动性。必须采用合理的工艺手段进行造粒：普通造粒法加压造粒法喷雾造粒法2009-12-1材料制备技术（3）成形成形——将制备好的坯料用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯件（生泥）。成形方法分为三类：可塑法、注浆法和压制法。2009-12-1材料制备技术可塑法方法：加入水份或塑化剂，将坯料混合，一般控制含水量在16~29%，制成有塑性的料团，然后通过各种成型机械进行挤压、滚压和塑压成型。塑性成型除雕塑、压坯和旋压等传统方法外，还有滚压成型、挤压、车坯成型、塑压成型、注塑成型、轧膜成型等。2009-12-1材料制备技术注浆法将含有一定水分的浆料浇注在预先准备的模具中而得到坯体的一种成型方法。成形过程分为两个阶段：吸浆成坯阶段和巩固脱模阶段。浆料含水量一般在30~35%，根据脱水工艺的不同，分为空心注浆和实心注浆两种成型方法。2009-12-1材料制备技术空心注浆法——将泥浆注入模型，待泥浆在模型中停留一段时间形成所需的注件后，倒出多余的泥浆而形成空心注件的成型方法。2009-12-1材料制备技术实心注浆法——泥浆注入两石膏模面之间的空穴中，泥浆被模型与模芯的工作面吸水，由于泥浆中的水分不断被吸收而形成坯泥，注入的泥浆面会不断的下降，因此，注浆时必须陆续地补充泥浆，直到空穴中的泥浆全部变成坯件为止。2009-12-1材料制备技术压制法方法：它是将还有少量水分和添加剂的粉料，在金属模具中用较高的压力压制成型的工艺。分为干压和半干压成型。新型压制成型方法——等静压成型：利用液体或气体的不可压缩性和均匀传递压力的特性来实现均匀施压成型的工艺。特点：具有结构均匀，坯体密度大，生坯强度高，制品尺寸精确，烧成收缩小，可不用干燥直接上釉或烧成，等优点。2009-12-1材料制备技术（4）坯体干燥干燥是借助热能使坯料中的水分汽化，并由干燥介质带走的过程。这个过程是坯料和干燥介质之间的传热传质过程。对注浆成型的坯件来说，干燥过程尤显重要。2009-12-1材料制备技术只有收缩水的蒸发，没有气孔形成，脱水时粘土颗粒互相接近，收缩急剧进行，此时制品减小的体积等于除去水分的体积。不仅有收缩水的排除，还有气孔水的排除，即水分排除时，既产生坯体收缩，又在坯体中产生部分气孔。收缩停止。除去水分的体积等于形成气孔的体积。干燥过程：第一阶段第二阶段第三阶段2009-12-1材料制备技术干燥方法根据使坯体水分蒸发所必需获取热能形式的不同，干燥方法可分为：热空气干燥辐射干燥微波干燥2009-12-1材料制备技术（5）上釉釉是附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层，具有与玻璃相类似的物理与化学性质。正确配合釉层可增加陶瓷的强度与表面硬度。施釉方法可以分为浸釉法、喷釉法、浇釉法、刷釉法。2009-12-1材料制备技术（6）烧结随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象称为烧结。烧结的目的：减少成型体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度。烧结分为固相烧结和液相烧结。2009-12-1材料制备技术液相烧结——在煅烧过程中有较多的液相生成的烧结过程。烧结驱动力：使瓷体致密化的驱动力来自于细小固体颗粒间液相的毛细管压力。影响烧结的因素：起始粒度、烧结温度、液相对固相的润湿能力。一般而言，细颗粒有利于烧结，提高温度对致密化有利，固-液相间的接触角越小，对烧结越有利。普通陶瓷和滑石瓷的烧结均属液相烧结。2009-12-1材料制备技术固相烧结——以固相反应为主，没有液相或只有10%以下的液相参与反应的烧结过程。烧结主要表现为颗粒间的扩散传质作用，包括表面扩散和体扩散两种。烧结驱动力：主要来源于坯料的表面能和晶粒界面能，少量液相起促进烧结、改善显微结构的作用。影响因素：材料的组成、温度、气氛、显微结构和晶格缺陷等。特种陶瓷，如刚玉瓷，钛酸钡瓷等的烧结均属固相烧结。2009-12-1材料制备技术烧结阶段晶粒排列过程陶瓷坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。2009-12-1材料制备技术烧结工艺烧结一般分为四个阶段：低温阶段（蒸发期，室温~300℃）：排除残余水分。中温阶段（氧化分解与晶型砖化期，300~950℃）：排除结构水，有机物分解，碳和无机物的氧化，碳酸盐和硫化物的分解，晶型转变等。高温阶段（玻化成瓷期，950℃~烧成温度）：继续氧化分解，形成新的晶相和晶粒长大。冷却阶段：冷却凝固，晶型转变。2009-12-1材料制备技术在陶瓷制备工艺中通常还需要保温：保温过程的作用是：使物理化学反应更充分更完全，组织结构更趋于一致。要求保温时间适中，不能过长，否则会使一些晶粒溶解，或过分长大而发生二重结晶，影响机电性能。一般陶瓷最高烧成温度为1150~1250℃，保温时间在1h以内。精陶素烧温度为1120~1250℃，保温2~3小时。日用陶瓷烧成温度1230~1400℃，保温1~2小时。一般电磁类产品则需保温4~6小时。2009-12-1材料制备技术加压烧结法——在加压成形的同时加热烧结的方法。

特点：由于塑性流动，促进了高密度化，得到接近理论密度的烧结体；由于加温加压助长了粒子间的接粗和扩散效果，降低了烧结温度，缩短了烧结时间，抑制了晶粒长大。2009-12-1材料制备技术陶瓷的性能1.陶瓷的力学性能（1）刚度刚度用弹性模量来衡量，弹性模量反应结合键的强度。陶瓷的弹性模量是各类材料中最高的。弹性模量对组织不敏感，但受气孔率影响，存在气孔会降低材料的弹性模量，温度升高也会降低弹性模量。（2）硬度硬度也决定于化学键，因此，陶瓷材料是各类材料中硬度最高的，>1500Hv。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。2009-12-1材料制备技术（3）强度抗拉强度低，抗弯强度较高，抗压强度较高；因表面及内部的气孔、微裂纹等缺陷，实际强度仅为理论强度的1/100~1/200。但抗压强度高，为抗拉强度的10~40倍。实际强度比理论值低很多的原因：一是组织中存在着晶界，(1)晶界上存在有晶粒间的局部分离或空隙；(2)境界上原子间距被拉长，键强度被削弱；(3)相同电荷离子的靠近产生斥力，可能造成裂缝。二是陶瓷的实际强度受致密度、杂质和各种缺陷的影响很大。（4）塑性塑性变形：在剪切力作用下有位错运动引起的密排原子面间的滑移变形。陶瓷在室温下几乎没有塑性。高温下也表现出一定的塑性。2009-12-1材料制备技术（5）韧性或脆性韧性极低或脆性很高。断裂包括裂纹的形成和扩展两个过程。陶瓷的脆性对表面状态很敏感，很容易产生细微的裂纹，裂纹尖端容易产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形产生高的应力松弛，所以裂纹扩展。在拉伸时几乎没有塑性，在拉力作用下产生一定的弹性变形后直接断裂。σε2009-12-1材料制备技术2.陶瓷的热学性能1）熔点高一般在2000℃以上，故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。2）热胀系数热膨胀系数与晶体结构和结合键强度有关。3）导热性差。导热性受其组成和结构的影响较大。随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料。4）热稳定性热稳定性是衡量陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用试样急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表示。其与材料的热膨胀系数和导热性有关。线膨胀系数大和导热性低、韧性低的材料热稳定性不高。2009-12-1材料制备技术3.其他性能1）导电性导电性变化范围很大。2）有些陶瓷具有特殊的光学性能可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻材料。3）磁性磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁带、磁头等。4）结构稳定化学稳定性高，抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化，并对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。故在化工工业中广泛应用。2009-12-1材料制备技术传统陶瓷材料传统的陶瓷主要是指硅酸盐陶瓷，由粘土、长石、石英组成。通过改变组成配比，控制骨料、基体和助熔剂以及颗粒细度和坯体致密度，可以得到不同特性的陶瓷。主晶相为莫来石晶体（3Al2O3﹒2SiO2），占25～30％，次晶相为SiO2；玻璃相约为35～60％；气相为1～3％。性能：硬度高，不会氧化生锈，不导电，耐1200℃高温，加工成型性好，成本低廉。玻璃相较多，强度较低，在较高温度下易软化，故耐高温及绝缘性不及其它陶瓷。按其结构特征可分为粗陶瓷制品及细陶瓷制品。按气孔率的大小分为不致密材料和致密材料。2009-12-1材料制备技术3.3.1不致密陶瓷材料泥料中含助熔剂少及烧成温度低时制成的制品是不致密陶瓷。细陶瓷中陶器和精陶属于不致密陶瓷。粗陶制品中大部分属于不致密陶瓷。1.砖瓦批量生产和使用的砖瓦，必须考虑降低生产成本，因此，主要以当地的粘土和黄土为原料。砖瓦的生成温度在1000℃左右，成品的气孔率相当高，能满足透气性和隔热性要求。增加砖瓦的隔热效果，可增大气孔率。常采用的方法是添加发泡剂。但不能采用降低生成温度的方法。2009-12-1材料制备技术2.陶器和精陶陶器用的原料类似于制砖瓦的泥料。特点：备料比较精细可制成均匀的坯体，可得到细陶瓷。精陶由高岭石、烧成为白色的粘土、石英及助熔剂制成。特点：坯体不致密，助熔剂只加少量。烧成方式特殊。2009-12-1材料制备技术3.3.2致密陶瓷材料获得致密陶瓷材料的途径：提高烧成温度或在组成中增加熔剂或添加作用强的助熔剂。1.炻器带色但不透明。采用一种特殊的粘土，即炻器粘土制成。结构主要含有玻璃相、莫来石、石英、方石英等。2.瓷器从炻器开始，通过逐步改善坯体的质量而形成的。均是致密烧结的白色坯体。配料不同可制成不同的瓷器。2009-12-1材料制备技术3.3.3传统陶瓷的用途用途：日用和工业用。日用主要是瓷器，一般要求具有良好的白度、光泽度、热稳定性和机械强度。工业用主要是炻器和精陶。建筑陶瓷性能要求：强度，热稳定性。用途：地面，墙壁，管道，卫生洁具等。电工陶瓷（高压瓷）性能要求：强度，介电性能和热稳定性。用途：隔电，支持及连接，绝缘器件化工陶瓷性能要求：耐蚀性。用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。2009-12-1材料制备技术3.4新型陶瓷特点：(1)原料。(2)化学组成。(3)制备工艺。(4)新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作为生物结构材料等。但也有它的缺点，如脆性。(5)应用。2009-12-1材料制备技术3.4.1氧化物陶瓷氧化物陶瓷材料可以是一种元素的氧化物，也可以含有其它元素的阳离子。通常是将合成的原料粉末通过煅烧而成的。1.氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉强度可达250MPa；耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作，在空气中的最高使用温度达1980℃；耐蚀性和绝缘性好；脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。2009-12-1材料制备技术氧化铝制品是通过固相见反应来烧结的。分为三个阶段：(1)烧结前阶段。随温度上升，坯体收缩，致密度和强度都不大，晶粒尺寸没有变化，由于水分、粘结剂的排除，颗粒间仅有点接触，孔隙较大。为防止变形和开裂要严格控制升温速率。开裂主要是因为排除了大量粘结剂和水分。(2)烧结初期阶段。升温有小幅度变化时，体积收缩，致密度等发生很大变化。颗粒尺寸无变化，颗粒间不再是点接触，孔隙大大减小。容易引起坯体开裂和变形。(3)烧结后期阶段。随温度继续上升，坯体进一步收缩，致密度和强度达到最大后又缓慢变化，最后达到不变。晶粒尺寸明显增大，孔隙变得很小，形成孤立气孔，部分残留在晶粒内。烧结的主要动力是表面能的变化。加快烧结的措施：(1)增加o2-空位；(2)超细粉碎原料，增大比表面，加大原来活性；(3)加入添加剂。采用加入添加剂的方法抑制晶粒长大。2009-12-1材料制备技术2.氧化铍陶瓷氧化铍材料的热导率很高，热膨胀系数不很大，因此抗震性极好，导电率低，介电常数高，因此被认为是最好的绝缘材料；抗压强度随温度变化不大；化学性质稳定。3.氧化镁陶瓷其导热率略大于氧化铝，热膨胀系数特别大，抗折强度较小，因此抗热震性不是很好；高温下抗压强度较高；可抵抗熔融碱与碱性熔渣的腐蚀，易受酸性物质腐蚀。使用范围较窄。2009-12-1材料制备技术2.氧化铍陶瓷氧化铍材料的热导率很高，热膨胀系数不很大，因此抗震性极好，导电率低，介电常数高，因此被认为是最好的绝缘材料；抗压强度随温度变化不大；化学性质稳定。3.氧化镁陶瓷其导热率略大于氧化铝，热膨胀系数特别大，抗折强度较小，因此抗热震性不是很好；高温下抗压强度较高；可抵抗熔融碱与碱性熔渣的腐蚀，易受酸性物质腐蚀。使用范围较窄。4.氧化钙陶瓷原料供应丰富，但极易在潮湿空气中水化，使制品崩裂为粉末状。抵抗熔融金属的还原作用特别强，因此在熔炼高纯度贵金属时起着不可替代的作用。2009-12-1材料制备技术5.氧化锆陶瓷有四种变体：立方相、四方相、单斜相、三方相、亚稳立方相。晶型转变伴随有体积变化，因此，应当避免在某个温度区内的破坏性晶型转换，办法是添加一些起稳定作用的物质。马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形核和长大的过程。马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移,这种位移是切变式的。这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。1.无扩散性2.切变性，即由母相变为新相的晶格改组过程是以切变方式进行的3.具有一定的晶体学位相关系的惯习面，即共格切变4.转变在一定的温度范围内进行5.快速转变，一般不需要孕育期6.转变不完全，会留有相当数量的残余奥氏体2009-12-1材料制备技术氧化锆相变增韧机制：(1)相变诱发微裂纹增韧。ZrO2在不同陶瓷中，在是室温下保持四方相的临界尺寸是不同的。当大与临界尺寸时，立方相不能在室温下保存，变为单斜相，并在周围的陶瓷结构中形成微裂纹，当加载外力时，这种均匀分布的微裂纹可缓和主微裂纹尖端的应力集中或通过裂纹分支来吸收能量，从而提高断裂能。(2)应力诱发相变增韧。ZrO2在其他陶瓷体中，由于两者膨胀系数不同，成形的ZrO2颗粒周围有不同的受力状况，当材料受到外力时，基体对ZrO2晶粒的压抑作用得到松弛，此时发生晶型转变，在陶瓷基体中产生微裂纹从而吸收主微裂纹能量，达到增韧效果。2009-12-1材料制备技术6.钛酸锆陶瓷广泛应用的电容器陶瓷材料之一。加入少量二氧化锆可以降低烧成温度、扩大烧结范围，且能有效抑制高温下钛酸钙晶粒的长大。7.钛酸镁陶瓷目前国内外大量使用的一种材料。通常形成三种化合物：正钛酸镁；二钛酸镁；偏钛酸镁。优先形成正钛酸镁，多余的氧化镁和二氧化钛则游离出来。为了降低烧结温度，改善烧结性能，可以添加少量助熔剂。一类是在高温下变成液相的熔剂；一类是能与配方中其他组分形成低共熔物的助熔剂。8.钛酸钡陶瓷应用最广泛的压电陶瓷。合成方法有固相合成反应法和溶液反应法。

2009-12-1材料制备技术3.4.2非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷可分为两类：一类是含周期表中第四族到第六族的过渡元素等的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物，这类材料为金属陶瓷或硬质合金材料；另一类是金刚石、石墨、SiC、Si3N4等非氧化物陶瓷材料。1.金刚石和石墨两者化学成分相同，但结构差异很大。金刚石属于立方晶系晶体，C的配位数是4，呈四面体配位；石墨属于六方晶系，C的配位数是3，具有平面三角形配位。同质多晶现象：化学组成相同的物质，在不同热力学条件下开始结晶成结构不同的晶体的现象。金刚石是最硬和抗划痕能力最强的材料。石墨晶体中存在自由电子，因而有金属的导电性能，性能有明显的方向性。有良好的导电、导热性能，且具有金属光泽，原子间结合力强，具有很高的熔点，很好的高温稳定性，最大用途是做电极材料。2009-12-1材料制备技术2.碳化硅属于最重要的非氧化物特种陶瓷。1)碳化硅原料的制备原料都为人工合成。工业方法是用碳还原硅的氧化物。高纯碳化硅是无色的。2)碳化硅陶瓷的制备主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷。3)碳化硅的结构单位晶胞由相同的[Si