合工大机械工程材料教案第10章 陶瓷材料

第十章陶瓷材料

陶瓷是陶器和瓷器的总称。许多科学工作者将陶瓷、玻璃、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等凡是经原料配制、坯料成型和高温烧结而制成的固体无机非金属材料都叫做陶瓷。

§10.1传统陶瓷与先进陶瓷陶瓷可粗略地分为传统陶瓷和先进陶瓷。其中，传统陶瓷是利用天然硅酸盐矿物(如黏土、石英、长石等)为原料制成的陶瓷，又称普通陶瓷。先进陶瓷是采用高纯度的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等)制成的具有各种独特而优异的力学、物理或化学性能的陶瓷，又称特种陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷或精细陶瓷。

一.陶瓷性能的特点陶瓷的性能与多种因素有关，波动范围很大，但还是存在一些共同的特性。1.力学性能陶瓷有很高的弹性模量，一般高于金属2～4个数量级。陶瓷的硬度很高，一般远高于金属和高聚物。例如，各种陶瓷的硬度多为1000—5000HV，淬火钢为500～800HV，高聚物一般不超过20HV。陶瓷材料的理论强度很高，然而陶瓷存在大量气孔、缺陷，致密度小，致使它的实际强度远低于理论强度。金属材料的实际抗拉强度和理论强度的比值为1／3—1／50，而陶瓷常常低于1／100。陶瓷的强度对应力状态特别敏感，它的抗拉强度虽低，但抗压强度高，因此要充分考虑与设计陶瓷应用的场合。陶瓷一般具有优于金属的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性，适宜作高温材料。陶瓷在室温几乎没有塑性，但在高温慢速加载的条件下，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也能表现出一定的塑性。陶瓷的韧性低、脆性大，是陶瓷结构材料应用的主要障碍。2.物理性能陶瓷的热膨胀系数比高聚物和金属低得多。陶瓷的导热性比金属差，多为较好的绝热材料。抗热震性是指材料在温度急剧变化时抵抗破坏的能力，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温差来表达。多数陶瓷的抗热震性差，例如，日用陶瓷的抗热震性为220℃。陶瓷的导电性能变化范围很大，。多数陶瓷具有良好的绝缘性，是传统的绝缘材料。但有些陶瓷具有一定的导电性，甚至出现陶瓷超导。3.化学性能陶瓷的结构非常稳定，常温下很难同环境中的氧发生作用。陶瓷对酸、碱、盐等的腐蚀有较强的抵抗能力，也能抵抗熔融的有色金属(如铝、铜等)的侵蚀。但在有些情况下，例如，高温熔盐和氧化渣等会使某些陶瓷材料受到腐蚀破坏。

二.传统陶瓷传统陶瓷成本低，加工成型性好，质地坚硬，不氧化，耐腐蚀，不导电，能耐一定高温。但强度较低，高温性能也不及先进陶瓷。普通陶瓷广泛用于日用、电气、化工、建筑、纺织中对强度和耐温性要求不高的领域，例如铺设地面、输水管道和隔电绝缘器件等。

三.先进陶瓷1.氧化铝陶瓷一般所说的氧化铝陶瓷是指含Al2O3，在95％以上的氧化铝陶瓷又称为刚玉瓷。刚玉瓷的玻璃相和气孔都很少。氧化铝陶瓷的强度大大高于普通陶瓷。硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅，居第五位。耐高温性能好，含Al2O3，高的刚玉瓷能在1600℃的高温下长期使用，蠕变很小，也不存在氧化的问题。具有优良的电绝缘性能。由于铝氧之间键合力很大，氧化铝又具有酸碱两重性，所以氧化铝陶瓷特别能耐酸碱的侵蚀，高纯度的氧化铝陶瓷也非常能抵抗金属或玻璃熔体的侵蚀，广泛用来制备耐磨、抗蚀、绝缘和耐高温材料。2.氧化镁陶瓷MgO陶瓷在高温下抗压强度较高，能承受较大负重，但抗热震性差。能抵抗熔融金属及碱性渣的腐蚀。可制作坩埚、炉衬和高温装置等。3.氧化锆陶瓷ZrO2吨陶瓷呈弱酸性或惰性，耐侵蚀，耐高温，但抗热震性差。主要用作坩埚、炉子和反应堆的隔热材料、金属表面的防护涂层等，也常常是陶瓷增韧的材料。4.碳化硅陶瓷SiC陶瓷具有高硬度和高的高温强度，在1600℃高温仍可保持相当高的抗弯强度，而其他的陶瓷材料在1200—1400℃时强度就要明显下降。碳化硅有很高的热传导能力，抗热震性高，抗蠕变性能好，化学稳定性好。碳化硅主要用作高温结构材料，应用十分广泛。例如，火箭尾喷管的喷嘴、热电偶套管等高温零件。还可用作高温下热交换器的材料、核燃料的包装材料等。此外，SiC还常作为耐磨材料，用于制作砂轮、磨料等。5.氮化硅陶瓷Si3N4陶瓷具有优异的化学稳定性和良好的电绝缘性能。强度、硬度高，摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；热膨胀系数小，抗热震性高。氮化硅常用于耐高温、耐磨、耐蚀和绝缘的零件。例如高温轴承、燃气轮机叶片等。近年来，在Si3N4中添加一定数量的A1203构成Si-A1-O-N系统的新型陶瓷材料，称为赛隆(sialon)陶瓷。这类陶瓷的最大突破在于制备工艺的简单。6.氮化硼陶瓷氮化硼通常为六方BN，六方BN在高温高压下可以转变为立方BN。六方BN导热性好，热膨胀系数小，抗热震性高，是优良的耐热材料；具有高温绝缘性，是一种优质电绝缘体；硬度低，有自润滑性，可进行机械加工：化学稳定性好，能抵抗许多熔融金属和玻璃熔体的侵蚀。因此，它可做耐高温、耐腐蚀的润滑剂、耐热涂料和坩埚等。立方BN的硬度极高，接近金刚石，是优良的耐磨材料。

§10.2玻璃玻璃是非晶无机非金属材料。工业用玻璃一般是用多种无机矿物(如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等)为主要原料，另外加入少量辅助原料制成的。它的主要成分为二氧化硅和其他氧化物。

一.玻璃的性能玻璃的理论强度很高，而实际强度仅为理论强度的1％以下。具有很高的抗压强度，而抗拉强度较低。玻璃的硬度比较高，脆性很大。常温下一般玻璃是绝缘体。随温度上升，玻璃的导电性迅速提高，达到熔融状态时，玻璃成为良导体。玻璃的导热性很差，一般不耐温度变化。热膨胀系数较小。玻璃的化学性质较稳定，但不耐氢氟酸和碱。

二.常见玻璃1.普通玻璃（钠钙玻璃）普通玻璃是由石英和氧化钠或氧化钙等金属氧化物熔化，可用于制造对耐热、化学稳定性没有特殊要求的玻璃制品。2.铝玻璃用氧化铅代替普通玻璃中的氧化钙制成。高氧化铅含量的铅玻璃对于高能辐射有屏蔽作用，因此可用于辐射窗口、电视机显像管，还可用作某些光学玻璃(如消色差透镜等)以及装饰玻璃等。3.硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃是用氧化硼取代普通玻璃中的部分碱金属氧化物而得到的。它具有良好的化学稳定性，因而在化学工业上得到广泛应用。4.石英玻璃石英玻璃是由各种纯净的天然石英(如水晶、石英砂等)熔化制成。线膨胀系数极小，是普通玻璃的1／10—1／20，有很好的抗热震性。它的耐热性很高，经常使用温度为1100～1200℃，短期使用温度可达1400℃。石英玻璃主要用于实验室设备和特殊高纯产品的提炼设备。由于它具有高的光谱透射，不会因辐射线损伤(其他玻璃受辐射线照射后会发暗)，因此也是用于宇宙飞船、风洞窗和分光光度计光学系统的理想玻璃。5.钢化玻璃钢化玻璃又称淬火玻璃。它是将普通玻璃采用淬火或化学方法制成的高强度玻璃。它的强度比普通玻璃高得多，不易破碎。一旦破碎，其碎片棱角圆滑，不易伤人，是很好的安全玻璃，可用作窗玻璃。6.微晶玻璃在玻璃中加入某些成核物质，通过热处理、光照射，或化学处理等手段，在玻璃内均匀地析出大量的微小晶体，形成致密的微晶相和玻璃相的多相复合体，称为微晶玻璃。通过控制微晶的种类数量、尺寸大小等，可以获得透明微晶玻璃、膨胀系数为零的微晶玻璃、表面强化微晶玻璃、不同色彩或可切削微晶玻璃。

§10.3耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。

一.耐火材料的性能要求1.耐火度耐火度是指无荷重时材料抵抗高温作用而不熔化的性能。2.荷重软化温度荷重软化温度表示耐火材料抵抗高温和负荷共同作用而保持稳定的能力。3.高温体积稳定性高温体积稳定性是指耐火材料在高温长期作用下外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。高温体积稳定性对避免砌筑体开裂和造成设备损坏有重要意义。4.抗热震性耐火材料在使用过程中，经常会受到温度急剧变化的作用，因此耐火材料必须具备高的抗热震性。5.抗渣性抗渣性指耐火材料抵抗熔渣或其他熔液侵蚀而不损坏的能力。耐火材料在与熔液直接接触的高温冶炼炉、熔化炉、煅烧炉和反应炉等窑炉和高温容器中，极易受熔渣侵蚀而损坏。因而，提高耐火材料的抗渣性，对提高砌筑体的使用寿命是很有意义的。6.耐真空性耐真空性是指耐火材料在真空和高温下工作时的耐久性。耐火材料在高温减压下工作时，其中一些组分容易挥发，同时材料与介质间的一些化学反应也更易进行，使许多耐火材料的耐久性降低。

二.常见耐火砖1)黏土砖黏土砖的主要成分是氧化铝和二氧化硅，属于中性耐火材料。荷重软化温度为1350℃，使用温度不超过1000℃，有很好的耐急冷急热性能。2)半硅砖半硅砖是由石英和耐火黏土混合制成，属于半酸性耐火材料。其特点是重烧线收缩很小，抗渣性也好。主要用于转炉、电炉和化铁炉等。3)高铝砖高铝砖是氧化铝含量大于48％的硅酸铝质耐火材料，其他组成是二氧化硅。它的耐火度和荷重软化温度都比黏土砖高，抗渣性较好，抗压强度也大。4)硅砖硅砖中二氧化硅含量大于93％，由二氧化硅加入石灰和黏土烧制而成，属于酸性耐火材料。硅砖的高温强度好，荷重软化温度几乎接近耐火度，可达1650—1660℃，但抗热震性差。主要用于炼钢炉、焦炉和玻璃熔炉等。5)轻质砖轻质砖含有较多的气孔，因而不仅耐火而且绝热。主要用作炉子中的保温层，降低设备的热损失，减少燃料消耗。但它的抗热震性差，抗渣性和抗压强度都低。所以，一般不能直接与火焰或熔渣接触。6)镁质耐火砖主要是镁砖，其中氧化镁的含量为85％左右，是碱性耐火材料。耐火度很高，在2000℃以上，但抗热震性很差。主要用于碱性平炉、电炉及有色金属冶金炉等。7)炭砖以无烟煤、焦炭为原料，加入沥青等结合剂，加热混炼、成型并在还原气氛中烧成。炭砖的特点是耐火度高、抗渣性强、抗热震性好、高温结构强度高，但容易氧化。可用于高炉炉缸和炉底、铁合金电炉炉衬以及炼铝电解槽等。

三.耐火纤维耐火纤维是纤维状的耐火材料，是一种高效绝热材料。它具有一般纤维的特性(如柔软、强度高等)，可加工成各种纸、带、线绳、毡和毯等，又具有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀和抗氧化的性能，克服了一般耐火材料的脆性。同时，有非常显著的节能效果。目前发展最快应用最多的是硅酸铝耐火纤维，其主要化学成分是氧化铝和二氧化硅。硅酸铝纤维及其制品的耐火度多数可达1700℃以上，具有弹性好，热膨胀小，热传导小，重量轻，抗热震性好，安装容易等优点，广