工程材料学第9章 陶瓷材料

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第九章 陶瓷材料内容提要 ： 本节介绍陶瓷材料的结构与性能。 本节介绍陶瓷材料的结构与性能。介绍现今意义上陶瓷 材料的分类，简述工程陶瓷的基本工艺过程， 材料的分类，简述工程陶瓷的基本工艺过程，介绍普通陶 包括日用陶瓷和工业陶瓷) 特种陶瓷(氧化物陶瓷、 瓷(包括日用陶瓷和工业陶瓷)、特种陶瓷(氧化物陶瓷、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷)的组成、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷)的组成、性能特 点和应用。 点和应用。 学习目标 ： 了解陶瓷材料的结构与性能。熟悉特种陶瓷的性能特点、 了解陶瓷材料的结构与性能。熟悉特种陶瓷的性能特点、 改善性能的途径和应用。对其它陶瓷材料作一般了解。 改善性能的途径和应用。对其它陶瓷材料作一般了解。

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一、陶瓷的概念传统意义上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、 传统意义上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪 耐火材料、砖瓦等。这些材料都是用粘土、石灰石、 瓷、耐火材料、砖瓦等。这些材料都是用粘土、石灰石、长 石英等天然硅酸盐类矿物制成的。因此， 石、石英等天然硅酸盐类矿物制成的。因此，传统的陶瓷材 料是指硅酸盐类材科。 料是指硅酸盐类材科。现今意义上的陶瓷材料已有了巨大变 许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴， 化，许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴，不仅在性 能上有了重大突破，在应用上也已渗透到各个领域。所以， 能上有了重大突破，在应用上也已渗透到各个领域。所以， 一般认为，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。 一般认为，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。

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二、陶瓷的分类

1. 玻璃

包括光学玻璃、电工玻璃、 包括光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃等在内的工业玻璃及 建筑玻璃和日用玻璃等无固定熔点的受热软化的非晶态固体材料； 建筑玻璃和日用玻璃等无固定熔点的受热软化的非晶态固体材料； 耐热耐蚀的微晶玻璃、无线电透明微晶玻璃、光学玻 耐热耐蚀的微晶玻璃、无线电透明微晶玻璃、

2. 玻璃陶瓷璃陶瓷等；

3. 工程陶瓷

分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类， 分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，而金属陶瓷通常被 视为金属与陶瓷的复合材料。 视为金属与陶瓷的复合材料。 陶瓷材料按应用分为: 结构陶瓷材料、功能陶瓷材料。 陶瓷材料按应用分为: 结构陶瓷材料、功能陶瓷材料。

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三、 工程陶瓷的生产过程(1)原料制备 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。 (2)坯

料成形 ) 将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成 包括可塑成形(如传统陶瓷) 注浆成形(如形状复杂、 品 。 包括可塑成形 ( 如传统陶瓷 ) , 注浆成形 ( 如形状复杂 、 精 度要求高的普通陶瓷)和压制成形(如特种陶瓷和金属陶瓷) 度要求高的普通陶瓷)和压制成形(如特种陶瓷和金属陶瓷)。 (3)烧成与烧结 ) 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷 的过程。 烧成是使坯件瓷化的工艺( 的过程 。 烧成是使坯件瓷化的工艺 ( 1250℃~ 1450℃) ; 烧结是 ℃ ℃ 指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 (4) 陶瓷烧结的后处理 ) 表面施釉：是通过高温加热， 表面施釉：是通过高温加热，在陶瓷表面烧附一层玻璃状物质使 其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 (5)陶瓷的加工 ) 为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、 为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、精确尺寸或去除表面 缺陷等，常利用磨削、激光以及超声波等加工方法对其进行处理 工方法对其进行处理。 缺陷等 ， 常利用磨削 、 激光以及超声波等加 工方法对其进行处理 。

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四、陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相、玻璃相、 包括三种相：晶体相、玻璃相、气相 1.晶体 1.晶体 晶体相是陶瓷的主要组成相， 晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们 的结构、数量、形态和分布， 的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷 的主要性能和应用。 的主要性能和应用。硅酸盐是是陶瓷组 织中重要的晶体相， 织中重要的晶体相，结合为离子键与共 价键的混合键。 价键的混合键。 陶瓷在室温下的组织

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硅酸盐结构的规律： 硅酸盐结构的规律：

构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体； ① 构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体； 硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结； ② 硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结； Si4 离子通过O 结合, Si- Si的结合键在 ③ Si4+离子通过O2-结合, Si-O-Si的结合键在 氧上的键角接近于145° 氧上的键角接近于145°; 145 ④ 稳定的硅酸盐结构中, 硅氧四面体采取最高 稳定的硅酸盐结构中, 空间维数互相结合； 空间维数互相结合；硅氧四面体结构

硅氧四面体采取比较紧密的结构连结； ⑤ 硅氧四面体采取比较紧密的结构连

结； 同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原子。 ⑥ 同一结构中的硅氧四面体最多只相差 1 个氧原子 。

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氧化物氧化物的结构及特点： 氧化物的结构及特点：氧离子作紧密立方或紧密六方排列； 氧离子作紧密立方或紧密六方排列； 金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中

岩盐型结构MgO

英石型结构AI2O3

氧化物晶体相

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非氧化合物金属碳化物： ●金属碳化物：共价键和金属键之 间的过渡键, 以共价键为主。 间的过渡键, 以共价键为主。 氮化物：与碳化物相似, ●氮化物：与碳化物相似, 弱些, 有一定的离子键。 弱些, 有一定的离子键。●硼化物和硅化物：较强的共价 硼化物和硅化物：

金属性

健，连成链、网和骨架，构成独 连成链、网和骨架， 立结构单元。 立结构单元。

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2.玻璃相 2.玻璃相玻璃相作用 粘连晶体相， 填充晶体相间空隙， ① 粘连晶体相 ， 填充晶体相间空隙 ， 提高材料 致密度； 致密度； ② 降低烧成温度，加快烧结； 降低烧成温度，加快烧结； 阻止晶体转变，抑制其长大； ③ 阻止晶体转变，抑制其长大； 获得透光性等玻璃特性； ④ 获得透光性等玻璃特性； 不能成为陶瓷的主导相： 对陶瓷的机械强度、 ⑤ 不能成为陶瓷的主导相 ： 对陶瓷的机械强度 、 介电性能、耐热耐火性等不利。 介电性能、耐热耐火性等不利。

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玻璃相产生过程 a熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时, 熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时, 熔 体硬化，转变为玻璃。玻璃物质的粘度随温度而变化。 体硬化，转变为玻璃。玻璃物质的粘度随温度而变化。 B 玻璃物质的粘度随温度的变化

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玻璃相结构特点玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。 玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组 成不规则的空间网, 成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。

钠硅酸盐玻璃的结构示意图 石英玻璃和石英晶体结构

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3. 气相气相是陶瓷组织内部残留下来的孔洞 形成原因比较复杂，与原料和生产工艺有密切的联系， 形成原因比较复杂，与原料和生产工艺有密切的联系，影响 因素也比较多。 因素也比较多。 根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。 根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。 除了多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷的性能不利， 除了多孔陶瓷外 ，气孔的存在对陶瓷的性能不利， 降低陶瓷 的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。 的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。●普通陶瓷的气孔率为5%~10%; 普通陶瓷的气孔率为5%~10%; 5%

●特种陶瓷的在5%以下； 特种陶瓷的在5%以下； 5%以下 ●金属陶瓷则要求低于0.5%。 金属陶瓷则要求低于0.5%。 0.5%

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五、陶瓷材料的性能(一)陶瓷的力学性能 1. 刚度 陶瓷刚度(由弹性模量衡量)各类材料中最高， 陶瓷刚度(由弹性模量衡量)各类材料中最高，因为陶瓷具 有很强的结合键。 有很强的结合键。

各种常见材料的弹性模量和硬度材料 橡胶 塑料 铝合金 钢 碳化钛 金刚石 弹性模量/MPa 弹性模量 6.9 1380 72300 207000 390000 1171000 硬度/HV 硬度 很低 ~17 ~170 300~800 ~ ~3000 6000~10000 ~

弹性模量对组织不敏感；气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。 弹性模量对组织不敏感；气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。

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2. 硬度陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。 陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。 陶瓷硬度为1000 HV~5000 HV; ●陶瓷硬度为 ~ ; 淬火钢为500 HV~800 HV; ●淬火钢为 ~ ; 高聚物最硬不超过20 ●高聚物最硬不超过 HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降低 但在高温下仍 。陶瓷的硬度随温度的升高而降低, 有较高的数值。 有较高的数值。

氧化物的硬度

碳化物的硬度

硼化物的硬度

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3. 强度晶界使陶瓷实际强度比理论值 低得多( 低得多( 1/1000~1/100)。晶界 ~ ) 上有晶粒间的局部分离或空隙； 上有晶粒间的局部分离或空隙； 晶界上原子间键被拉长, 晶界上原子间键被拉长 键强度 被削弱； 被削弱；相同电荷离子的靠近产 生斥力, 会造成裂缝。 生斥力 会造成裂缝。

陶瓷的晶界结构

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4. 塑性陶瓷在室温下几乎没有塑性。 陶瓷在室温下几乎没有塑性。 陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大； 陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大； 共价键有明显的方向性和饱和性， 共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离 子接近时斥力很大； 子接近时斥力很大； 在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶 在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时， 瓷也表现出一定的塑性。 瓷也表现出一定的塑性。

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5. 韧性(1) 陶瓷是非常典型的脆性材料 冲击韧性 kJ/m2以下 断裂韧性值 冲击韧性10 以下, 很低。 很低。 (2) 对表面状态特别敏感 由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均 由于表面划伤、化学侵蚀、 等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹很快扩展，表现出很高的 很易产生细微裂纹；受载时，裂纹很快扩展， 脆性。 脆性。 (3) 改善陶瓷韧性的方法 预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷；在陶 预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷； 瓷表面形成压应力；消除陶瓷

表面的微裂纹。 瓷表面形成压应力；消除陶瓷表面的微裂纹。

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(二)陶瓷的物理性能和化学性能1. 热膨胀性能 陶瓷的线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低。 陶瓷的线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低。 2. 导热性 由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料。 由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料。 3. 热稳定性 热稳定性很低(比金属低得多):线膨胀系数大和导热性低。 ):线膨胀系数大和导热性低 热稳定性很低(比金属低得多):线膨胀系数大和导热性低。 4. 化学稳定性 结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料。对酸、 结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料。对酸、碱、盐等腐 蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力， 蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生 作用。 作用。 5. 导电性 变化范围很广：由于缺乏电子导电机制, 多数陶瓷是良好的绝缘体； 变化范围很广：由于缺乏电子导电机制 多数陶瓷是良好的绝缘体； 不少陶瓷既是离子导体, 又有一定的电子导电性；许多氧化物( 不少陶瓷既是离子导体 又有一定的电子导电性；许多氧化物(ZnO、 、 NiO、Fe3O4)是重要的半导体材料。 、 是重要的半导体材料。

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★ 普通工业陶瓷 一、建筑卫生瓷 用于装饰板、卫生间装置及器具等， 用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸 较大，要求强度和热稳定性好。 较大，要求强度和热稳定性好。

建筑陶瓷 卫生陶瓷

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二、化学化工瓷用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、 用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀 容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强。 容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强。

三、电工瓷主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、 主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、介 电性能和热稳定性好。 电性能和热稳定性好。 改善工业陶瓷性能的方法： 改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫来石晶体相，提高机械强 、 等或增加莫来石晶体相， 加入 、 、 度和耐碱抗力； 度和耐碱抗力； 加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性；加入滑石或镁砂降低热膨 、 等提高强度和热稳定性； 加入 等提高强度和热稳定性 胀系数； 胀系数； 加入SiC提高导热性和强度。 几种普通陶瓷的基本性能 提高导热性和强度。 加入 提高导热性和强度

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特种陶瓷 特种陶瓷也叫现代陶瓷、 特种陶瓷也叫现代陶瓷、精 细陶瓷或高性能陶瓷。 细陶

瓷或高性能陶瓷。包括特 种结构陶瓷和功能陶瓷两大类， 种结构陶瓷和功能陶瓷两大类， 如压电陶瓷、磁性陶瓷、 如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容 器陶瓷、高温陶瓷等。 器陶瓷、高温陶瓷等。 工程上最重要的是高温陶瓷， 工程上最重要的是高温陶瓷， 包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。 氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。 特种陶瓷的种类及用途

氮化硼陶瓷刀具

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