第五章 陶瓷材料.ppt

1、2020/7/13,材料科学与工程导论,2020/7/13,第五章 陶 瓷 材 料,陶 瓷 材 料,2020/7/13,内容简介： 本章主要介绍了陶瓷材料的分类、陶瓷材料的晶体结构及显微组织结构、陶瓷材料的性能，最后讲述了陶瓷制品常用的生产工艺，并简单介绍了先进陶瓷材料原料的制备方法。 本章重点： 5.2 陶瓷材料的结构与性能； 5.3 陶瓷材料的制备工艺。,2020/7/13,概述,陶瓷是人类最早使用的材料之一，在人类发展史上起着重要的作用，直到现在，陶瓷仍是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。近年来，陶瓷材料在应用上已渗透到各个领域，在性能上也有了重大突破。,第一节 陶瓷材料简介 学习目标

2、： 1.掌握陶瓷的概念； 2.了解陶瓷的分类及各种陶瓷的特点。,陶瓷的概念,一、陶瓷的概念 传统意义上的陶瓷是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混炼成形煅烧等过程而制成的各种制品,主要是指陶器和瓷器，还包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏等人造无机非金属材料制品。 现在，陶瓷实际上是各种无机非金属材料的通称，同金属材料和高分子材料一起，成为现代工程材料的主要支柱。,陶瓷的分类,二、陶瓷的分类 一般来说，按陶瓷的性质可分为土器、陶器和瓷器等；按用途可分为日用陶瓷、工业建筑陶瓷、艺术陶瓷和精密陶瓷等；按原料（是否为硅酸盐）可分为传统陶瓷和特种陶瓷。 传统陶瓷 传统陶瓷是人们生

3、活和生产中最常见和使用最多的陶瓷制品，按照其性能特点和使用领域的不同，可分为日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、艺术陶瓷及其它工业用陶瓷。,特种陶瓷,特种陶瓷 特种陶瓷是指具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷，应用于各种现代工业和尖端科学技术，所用的原料和所需的生产工艺技术已与普通陶瓷有较大的不同和发展，有的国家称之为“精密陶瓷（fine ceramics）” 。 特种陶瓷可根据其性能特点及用途的不同细分为结构陶瓷、功能陶瓷和工具陶瓷。,结构陶瓷,结构陶瓷 结构陶瓷主要是指具有耐磨损、高强度、耐热冲击、硬质、高刚性和低热膨胀性等特点的结构陶瓷材料制品；在能源、航空航天、机械、汽车、冶金、化工、电子和生物等方

4、面具有广阔的应用前景及潜在的巨大经济和社会效益，受到各发达国家的高度重视，成为近几十年来发展极为迅速的领域。结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及氧化物与非金属氧化物的复合陶瓷材料。,结构陶瓷分类,结构陶瓷主要有以下几种： 氧化铝陶瓷 ZrO2陶瓷 氮化硅陶瓷 赛隆（Sialon）陶瓷 六方氮化硼晶体 碳化硅陶瓷,工具陶瓷,工具陶瓷 工具陶瓷作为工具材料，需具有高的硬度，一定的强度和韧度，高的热硬性和耐磨性等。常用的工具陶瓷有硬质合金、氧化物基陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。,功能陶瓷,功能陶瓷 功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能，如电、磁、光、热、化学

5、、生物等；有的还有耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等。,功能陶瓷,电容器陶瓷是介电陶瓷的一种，其以体积小、容量大、结构简单、高频特性优良、品种繁多、价格低廉、便于大批量生产而广泛应用于家用电器、通信设备、工业仪器仪表等领域。 压电陶瓷是电介质陶瓷的一个重要组成部分，它包括压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷三种。 敏感陶瓷绝大部分是由各种氧化物组成的，由于这些氧化物多数具有比较宽的禁带(通常Eg不小于3eV)，在常温下它们都是绝缘体。通过微量杂质的掺入，控制烧结气氛(化学计量比偏离)及陶瓷的微观结构，可以使之受到热激发产生导电载流子，从而使传统的绝缘陶瓷成为半导体。 磁性陶瓷分为含铁的

6、铁氧体陶瓷和不合铁的磁性陶瓷，磁性陶瓷主要指铁氧体。铁氧体又名磁性瓷或铁淦氧磁物。它是将铁的氧化物与其他某些金属氧化物用粉末冶金法制成的具有亚铁磁性的非金属磁性材料。 超导陶瓷即氧化物超导体，其分子式为YBa2Cu3O7-x，Y可以被其它稀土元素，特别是重稀土元素取代，用Gd，Ho，Er，Tm，Tb和Lu取代Y后形成相应的超导单相或多相材料。,第二节 陶瓷材料的结构与性能 学习目标： 1.了解陶瓷材料的结构特点； 2.掌握材料结构与性能间的关系。,陶瓷材料的结构,一、陶瓷材料的结构 陶瓷材料的组织结构特征主要是由晶相、玻璃相和气孔三者之间在陶瓷材料中空间的相互关系决定的。 晶相 晶相是陶瓷材料

7、的主要组成，是决定陶瓷基本性能的主导物相。它的种类、发育和存在状态、晶体取向、形态等，决定了陶瓷的主要特点和用途。,Pauling规律 陶瓷材料是一种或多种金属元素和非金属元素（通常是氧）的化合物。一般来说，较大的氧原子作为陶瓷的基质，而较小的金属（或半金属元素，如硅）则处于氧原子间的空隙位置。 离子键晶体涉及到配位多面体。配位多面体是指与阳离子构成配位关系的各个阴离子的中心联线所构成的多面体，阳离子处于配位多面体的中心，而各配位阴离子则位于配位多面体的顶角上。,陶瓷材料的结构,典型的结构类型,金刚石结构。金刚石的晶体结构属面心立方，晶胞参数a=0.356nm。在面心立方晶胞内有4个C原子，它

8、们分别位于4个空间对角线的14处。每个碳原子周围都有4个碳，碳原子之间形成共价键。一个碳原子在正四面体的中心，另外四个同它共价的碳原子在正四面体的顶角上。（如图）,典型的结构类型,典型的结构类型,石墨结构。石墨的晶体结构为六方晶系，其碳原子为层状排列。每一层碳原子成六方环状排列（如图每个碳原子与三个相邻的碳原子之间的距离相等）石墨的这种结构表现为同一层内的碳原子之间为共价键，而层与层之间的碳原子以范德华力相互作用。C原子的4个外层电子在层内形成3个共价键，多余的1个电子可以在层内部移动，类似于金属中的自由电子。因此，在平行于碳原子层的方向具有良好的导电性。,典型的结构类型,NaCl型结构。氯化

9、钠晶体(NaCl)结构属一种面心立方结构，其中阴离子按立方密堆积方式排列，阳离子充填于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的配位数都为6，其晶格常数a=0.563nm。 （如图）,典型的结构类型,CsCl型结构。氯化铯晶体结构为立方晶系，Cs+离子处于立方原始格子的8个角顶上，Cl-或Cs+各自组成简立方结构的子晶格。Cl-离子位于立方体的中心(如取顶角上为Cl-，体心上是Cs+，结果一样)。CsCl晶体结构如图。属于CsCl结构的晶体有CsBr，CsI，TiCl，NH4C1等。,其他类型结构,（5）其他类型结构： 闪锌矿型结构 ； -ZnS(纤锌矿)型晶体结构 ； 萤石型结构晶体结构 ； 金红石型

10、结构为四方晶系 ； 刚玉型晶体结构属三方晶系； CaTiO3(钙钛矿)型结构的通式为ABO3 ； 尖晶石型晶体结构属于立方晶系等。,硅酸盐晶体结构,硅酸盐晶体结构 构成硅酸盐晶体结构的基本单元是SiO4硅氧四面体，如图所示。Si/O的半径比0.29，相应于四面体的配位，以硅为中心，四个氧离子紧密排列在其周围而构成四面体。,硅氧四面体结构,玻璃的结构 陶瓷中玻璃相的作用是：将晶体相粘连起来，填充晶体相之间空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变，抑制晶体长大；获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。 晶子假说 揭开了玻璃的一个结构特征，即微不均匀性和近程有序性。,玻璃的结构,

11、玻璃的结构,无规则网络假说 德国学者扎哈里阿森(Zachariasen)认为：凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。 扎哈里阿森提出了形成氧化物玻璃的四条规则： 每个氧离子应与不超过两个阳离子相联； 在中心阳离子周围的氧离子配位数必须是小的，即为4或更小； 氧多面体相互共角而不共棱或共面； 每个多面体至少有三个顶角是共用的；,气孔,气孔 气孔是指陶瓷组织结构内部残留下来的孔洞，主要由原料中的气孔和成型后颗粒间的气孔所构成。根据其形状，大致可分为三类：开口气孔、闭口气孔和贯通气孔，如图,1-贯通气孔；2-开口气孔；3-封闭气孔；,陶瓷的性能,二、陶瓷的性能 弹性

12、 弹性模量E是原子间结合强度的一个标志。如图，原子间距越小，结合力越强，E就越大。共价键和离子键结合的晶体结合力强，而分子键结合力弱，所以具有强大化学键的陶瓷都有很高的弹性模量，是各类材料中最高的。,图5-17 原子间的结合力,陶瓷的性能,硬度 陶瓷材料的硬度反映了材料抵抗破坏能力的大小，其取决于陶瓷材料的组成和结构。离子半径越小，离子电价越高，配位数越小，结合力就越大，其硬度就越大，所以陶瓷硬度在各类材料中是最高的。,陶瓷的性能,强度 陶瓷以离子键为主，存在着部分共价键，决定了陶瓷有着较高的强度。 脆性断裂与增韧 在防止陶瓷脆性断裂及改变陶瓷韧性时应采取以下措施：首先应使作用应力不超过临界应

13、力，预防在陶瓷中特别是表面上产生缺陷；第二，在陶瓷表面造成压应力，提高其抗拉强度；第三，在材料中设置吸收能量的机构也能减小裂纹的扩展。 塑性 无机非金属材料在常温下几乎没有塑性。,陶瓷的性能,热学性能 陶瓷的热学性能是和温度变化有直接关系的性能。主要有热膨胀性、导热性和热稳定性。 热膨胀性直接影响陶瓷的热震稳定性和受热后的应力分布和大小等。 陶瓷中自由电子数较少，陶瓷的导热性要小。一般情况下，陶瓷多为较好的绝热材料。 陶瓷是脆性材料，其热稳定性是比较差的。,陶瓷的性能,光学性能 陶瓷制品的许多光学性质是与不同的用途相关的。 利用陶瓷材料的某些光学性能在国民生活中发挥了巨大的作用，如用作荧光物质

14、、激光器、通讯用光导纤维、电光及声光材料等等。,陶瓷的性能,电学性能 导电性能 陶瓷材料的导电性主要受到晶体结构及晶格缺陷的影响。 介电性能 介电性能是指对电流的分割和绝缘能力。 磁学性能 磁性陶瓷又常称为铁氧体，但严格来说，磁性陶瓷还包括不含铁的磁性瓷。陶瓷材料由于电阻率高、损耗小，其磁性远远好于金属和合金材料。陶瓷材料具有各种不同的磁学性能，因此它们在无线电电子、自动控制、电子计算机等方面都有着广泛的应用，特别是在高频范围。如MnZn铁氧体就是高磁导率的铁氧体。,第三节 陶瓷材料的制备工艺 学习目标： 1.了解制备陶瓷材料的原料和设备； 2.了解陶瓷材料的工艺特性。,陶瓷材料的制备工艺,陶

15、瓷材料的本质特征是脆性，在受力的时候只有很小的变形或没有变形发生。这种本性限制了陶瓷材料的工艺制备。 陶瓷的制备过程比较复杂，主要取决于材料的类型，但基本的工艺是相同的，即原料的制备、坯料的成型和制品的烧成或烧结。,原料及其制备,一、原料及其制备 传统陶瓷的原料及其制备大多数传统陶瓷是以价廉而且容易获得的天然矿物原料为基础而配制的，其最主要的原料有粘土、石英和长石，通过多种物质的混合烧结而制成的。,先进陶瓷材料的原料及其制备,先进陶瓷材料的原料及其制备 先进陶瓷在制备工艺上是使用人工合成的陶瓷粉体。粉料合成方法一种是颗粒细化的机械粉碎法，但得到粉料的纯度不能保证，而且颗粒的细度有限，在0.11m；另一种方法是化学法，即由颗粒在介质中成核生长的方法制备，这种方法中颗粒是通过在液相或气相中经成核生长得到，使粉体的化学成分和相组成、纯度和颗粒细度得到有效地控制，化学方法可分为液相法，气相法和固相法等。,坯料的成型,二、坯料的成型 成型是将一个分散体系(粉体、塑性物料和浆料)转变成具有一定几何形状、体积和强度的块体。陶瓷的成型方法很多，主要的方法是按坯料含水量的多少可分为三种：半干法、可塑法和注浆法。,陶瓷的烧成或烧结,三、陶瓷的烧成或烧结 由材料的性能、化学成分和组织结构之间的关系可知，陶瓷的各种性能不仅与化学组成有关，而且还与材料的显微结构