1、材料科学基础, 陶瓷材料,肖 葵,,School of Materials Science and Engineering,中国陶瓷材料历史,东汉后期黑瓷,北朝晚期白瓷,元朝青花瓷,清朝彩瓷,瓷器是中国的伟大发明,素胚勾勒出青花笔锋浓转淡瓶身描绘的牡丹一如你初妆冉冉檀香透过窗心事我了然宣纸上走笔至此搁一半釉色渲染仕女图韵味被私藏而你嫣然的一笑如含苞开放你的美一缕飘散去到我去不了的地方,,School of Materials Science and Engineering,北宋著名瓷窑之一。窑址在今河南省禹州市城内的八卦洞。钧窑利用铁、铜呈色的不同特点，烧出蓝中带红、紫斑或纯天青、纯月白等多种
2、釉色，以蛋白石光泽的青色为基调，具有乳浊而不透明的效果。钧瓷的又一特征是釉面上常出现不规则的流动状的细线，称“蚯蚓走泥纹”。钧窑瓷器是中国历史上的名窑奇珍，品种繁多，造型独特，以瑰丽异常的钧釉名闻天下。其成就在于釉中加入铜金属，经高温产生窑变，使釉色以青、蓝、白为主，兼有玫瑰紫、海棠红等，色彩斑斓，美如朝晖晚霞，被誉为“国之瑰宝”，在宋代就享有“黄金有价钧无价”、“纵有家财万贯不如钧瓷一片”的盛誉。,,School of Materials Science and Engineering,宋代“五大名窑”之一，为冠绝古今之中国磁器名窑。窑址在今河南省宝丰县清凉寺，宋时属汝州，故名。汝窑以烧制青
3、釉瓷器著称，宋人叶寘在坦斋笔衡中记载：“本朝以定州白瓷器有芒不堪用，遂命汝州造青窑器，故河北唐、邓、耀州悉有之，汝州为魁。”可见汝窑是继定窑之后为宫廷烧制贡瓷的窑场。其器物多仿青铜器及玉器造型，主要有出戟尊、玉壶春瓶、胆式瓶、樽、洗。胎体细洁如香灰色，多为裹足支烧，器物底部留有细小的支钉痕迹。釉色主要有天青、天蓝、淡粉、粉青、月白等，釉层薄而莹润，釉泡大而稀疏，有“寥若晨星”之称。釉面有细小的纹片，称为“蟹爪纹”。汝窑烧宫廷用瓷的时间仅20年左右，约在北宋哲宗元祐元年（1086年）到徽宗崇宁五年（1106年），故传世品极少，被人们视为稀世之珍。,,School of Materials Sci
4、ence and Engineering,官窑是宋代五大名窑之一，窑有南北之分。据文献记载，北宋末徽宗政和至宣和年间（1111-1125年），在汴京（今河南开封），官府设窑烧造青瓷，称北宋官窑。宋室南迁杭州后，在浙江杭州凤凰山下设窑，名修内司窑，也称“内窑”。后又在今杭州市南郊的乌龟山别立新窑，即郊坛下官窑。以上统称南宋官窑。 官窑以烧制青釉瓷器著称于世。其烧瓷原料的选用和釉色的调配也甚为讲究，所用瓷土含铁量极高，故胎骨颜色泛黑紫。器之口沿部位因釉垂流，在薄层釉下露出紫黑色，俗称“紫口”；又底足露胎，故称“铁足”。 其厚釉的素瓷很少施加纹饰，主要以釉色为装饰，常见天青、粉青、米黄、油灰等多种色
5、泽。釉层普遍肥厚，釉面多有开片，这种开片与同期的哥窑有很大不同，一般来说，官窑釉厚者开大块冰裂纹，釉较薄者开小片，哥窑则以细碎的鱼子纹最为见长。,,School of Materials Science and Engineering,宋代北方著名瓷窑。窑址在河北曲阳涧磁村。始烧于晚唐、五代，盛烧于北宋，金、元时期逐渐衰落。北宋定窑以烧造白釉瓷器为主，装饰方法有划花、刻花、印花和捏塑等。纹饰以莲花、牡丹、萱草为常见，画面简洁生动。定窑除烧白釉外还兼烧黑釉、绿釉和酱釉。造型以盘、碗最多，其次是梅瓶、枕、盒等。常见在器底刻“奉华”、“聚秀”、“慈福”、“官”等字。盘、碗因覆烧，有芒口及因釉下垂而形
6、成泪痕之特点。,,School of Materials Science and Engineering,宋代“五大名窑”之一，这里所说的哥窑是指传世的哥窑瓷。其胎色有黑、深灰、浅灰及土黄多种，其釉均为失透的乳浊釉，釉色以灰青为主。常见器物有炉、瓶、碗、盘、洗等，均质地优良，做工精细，全为宫廷用瓷的式样，与民窑瓷器大相径庭。 传世哥窑瓷器不见于宋墓出土，其窑址也未发现，故研究者普遍认为传世哥窑属于宋代官办瓷窑。长期以来，人们主要是根据文献记载和传世实物对其进行研究。南宋人叶寘的坦斋笔衡明确指出南宋官办瓷窑有两个：一是郊坛下官窑，其窑址已在杭州乌龟山被发现；另一个是修内司官窑，其窑址至今未发现。
7、有学者根据刊于明洪武二十年的曹昭的格古要论中对修内司官窑特征的记载，认为传世哥窑即宋代修内司官窑。,,School of Materials Science and Engineering,青花瓷又称白地青花瓷器，英文名blue and white porcelain，它是用含氧化钴的钴矿为原料，在陶瓷坯体上描绘纹饰，再罩上一层透明釉，经高温还原焰一次烧成。釉下彩的一种。钴料烧成后呈蓝色，具有着色力强、发色鲜艳、烧成率高、呈色稳定的特点。目前发现最早的青花瓷标本是唐代的(也有学者称唐青花并非青花瓷）；成熟的青花瓷器出现在元代；明代青花成为瓷器的主流；清康熙时发展到了顶峰。明清时期，还创烧了青花
8、五彩、孔雀绿釉青花、豆青釉青花、青花红彩、黄地青花、哥釉青花等品种。与古代其他瓷器差异：加高岭土，器形大,,School of Materials Science and Engineering,名为“鬼谷下山”的14世纪元代青花瓷罐以1568.8万英镑，合人民币2.3亿元的价格成交。看好此罐的一位台湾买主出价到1000万英镑，但终不敌西方藏家，最后被一位英国藏家以2.3亿元的价格收入囊中。,就是这件青花瓷罐拍卖出了约合人民币2.3亿元的亚洲艺术品最高价,,School of Materials Science and Engineering,先进陶瓷与传统陶瓷材料,传统陶瓷：采用石英、长石和
9、粘土等自然界中存在的矿物为原料，经过粉碎、混合、磨细、成形、干燥、烧成等传统工艺制成。包括：陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料。先进陶瓷：采用微米或亚微米级高纯人工合成的氧化物、碳化物、碳化物、硼化物、硅化物、硫化物等无机非金属物质为原料，采用精密控制的成形与烧结工艺制成，其性能远优于传统陶瓷。还有其他的称呼方式：新型陶瓷、特种陶瓷、工程陶瓷、现代陶瓷。,12.1 陶瓷材料概述,,School of Materials Science and Engineering,先进陶瓷与传统陶瓷主要区别：,在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料界限，一般以高纯人工合成的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物
10、等为主要原料；在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，不同产地和炉窖的陶瓷有不同质地。先进陶瓷的原料为化合物，成分可由人工配比决定；在制备工艺上，成形采用热压铸、压力浇注、冷等静压、注射成型、气相沉积、浸渍等新工艺，烧成上突破了传统陶瓷以炉窖为主要生产手段的界限；,,School of Materials Science and Engineering,在加工上，传统陶瓷一般不需要二次加工。先进陶瓷烧成后能够进行切割、打孔、磨削、研磨，以及抛光等精密加工和镀膜处理；在性能上，先进陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、耐腐蚀、导电、绝缘，以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能。,
11、,School of Materials Science and Engineering,陶瓷材料分类：,按化学成分分为：氧化物和非氧化物陶瓷。按用途分为：结构陶瓷和功能陶瓷,,School of Materials Science and Engineering,按使用原料分为：普通陶瓷和特种陶瓷,,School of Materials Science and Engineering,12.2 陶瓷材料的几种典型结构,离子晶体陶瓷结构共价晶体陶瓷结构非晶形陶瓷结构,,School of Materials Science and Engineering,12.2.1 离子晶体陶瓷结构,Mg
12、O、NiO、FeO具有典型的NaCl结构。属于面心立方点阵，负离子占点阵位置，正离子占八面体间隙，配位数为6。每个晶胞4个负离子，4个正离子。ZrO2、VO2、ThO2具有典型的CaF2结构。属于面心立方点阵，负离子位于所有四面体间隙位置，正离子占点阵位置，配位数为4。,,School of Materials Science and Engineering,Al2O3、Cr2O3等属于刚玉结构型。氧离子占密排六方结点位置，铝离子配置在氧离子组成的八面体间隙中。每个晶胞含有6个氧离子，4个铝离子。CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3属于钙钛矿型结构。原子半径较大的钙离子与氧离子作立方最密堆
13、积，半径较小的钛离子位于氧八面体间隙中，构成钛氧八面体TiO6。每个晶胞中有1个钛离子，1个钙离子，3个氧离子。,,School of Materials Science and Engineering,12.2.2 共价晶体陶瓷结构,SiC结构与金刚石结构类似，只是将位于四面体间隙的碳原子全部换成了硅原子。属于面心立方点阵，单抱拥有硅、碳原子各四个。SiO2也属于面心立方点阵，每个硅原子被4个氧原子包围形成SiO4四面体结构，各个四面体之间又都以共有顶点的氧原子互相连接。,,School of Materials Science and Engineering,,School of Mate
14、rials Science and Engineering,12.2.3 非晶(amorphous)型陶瓷结构,在硅酸盐的基本结构SiO4四面体中的氧原子，其最外层的电子不是8个，而是7个。氧原子为了克服这种电子的不足，可以从金属那里获得电子，或者每个氧原子再和另一个硅原子共用一对电子对，形成多面体群。每个氧原子都是搭桥原子，连接两个硅原子。,,School of Materials Science and Engineering,陶瓷材料主要是离子键与共价键化合物。晶体结构中也存在位错，比如金刚石结构的滑移面为1 1 1、全位错的柏氏矢量为1/21 1 0。陶瓷材料共价键结合力强，点阵阻力大
15、，使位错难移运动。同时共价键具有方向性，相对位移会破坏共价键，故共价陶瓷是脆性的，但具有极高的硬度和熔点。陶瓷材料离子型晶体中，位错的运动需正负离子成对跨过滑移面，静电作用很强，一般不能滑移，故也是脆性的。,,School of Materials Science and Engineering,12.3 陶瓷材料的显微结构,陶瓷的显微结构是决定其各种性能的最基本因素之一。主要包括不同的晶相和玻璃相，晶粒的大小和形状，气孔的尺寸及数量，微裂纹的存在形式及分布。1、晶相2、玻璃相3、气相（气孔）,,School of Materials Science and Engineering,12.3.
16、1 晶粒,陶瓷材料主要由取向各异的晶粒构成，晶相的性能可以表征材料的特性。例如：,Al2O3晶体是一种结构紧密，离子键强度很大的晶体。,刚玉瓷具有高强度、耐高温、绝缘性好、耐腐蚀等优点。,决定了,,School of Materials Science and Engineering,晶粒的大小对材料的性能有重要影响,保温时间越短,,School of Materials Science and Engineering,晶粒的形状对材料的性能影响也很大。例如：Si3N4陶瓷的晶粒呈针状， Si3N4陶瓷的晶粒呈颗粒状或短干状，前者的抗折强度比后者几乎高一倍。陶瓷在烧结后的冷却过程中，在晶界上会
17、产生很大的应力，晶粒越大，晶界应力越大，对于大晶粒甚至可出现贯穿裂纹。断裂应力与裂纹尺寸的平方根成反比，陶瓷材料中已存在裂纹，将会大大降低断裂强度。,,School of Materials Science and Engineering,12.3.2 玻璃相,玻璃相是陶瓷烧结时各组成物质及杂质产生的一系列物理、化学变化后形成的一种非晶态物质，它的结构是由离子多面体（如硅氧四面体SiO4）构成的短程有序排列的空间网络。玻璃相的作用是粘结分散的晶相，抑制晶粒的长大和填充气孔。玻璃相熔点低、热稳定性差，导致陶瓷在高温下产生蠕变。工业中玻璃相的含量一般在2040，特殊情况下可达60。,,School
18、 of Materials Science and Engineering,12.3.3 气相,气相指陶瓷空隙中的气体即气孔，是陶瓷生产过程中形成，并被保留下来的。气孔对陶瓷性能有着显著的影响，有利的一方面：它使陶瓷密度减小，并能减振；但是会使陶瓷强度下降，介电耗损增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。生产中一般控制气孔体积分数为：510，气孔细小呈球形，分布均匀。保温材料和过滤多孔陶瓷等气孔率可达60。,,School of Materials Science and Engineering,(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化
19、工原料-各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形） 将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。(3)烧成或烧结 生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变，如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能。,12.4 陶瓷材料制造工艺,,School of Materials Science and Engineering,12.4.1 原料制备,采用天然的岩石、矿物、粘土等作为原料，要经过以下过程：原料粉碎精选（除去杂质）
20、磨细配料（保证制品性能）脱水（控制坯料水分）练坯、陈腐（去除空气）当采用高纯度可控的人工合成粉状化合物作原料时，在坯料制备之前如何获得成分、纯度及粒度均达到要求的粉状化合物是制备坯料的关键。微米陶瓷、纳米陶瓷的制造成功均与粉状化合物的制备有关。原料经过坯料制备以后，根据成型工艺要求，可以是粉料、浆料或可塑泥团。,,School of Materials Science and Engineering,12.4.2 成型,可塑法又叫塑性料团成型法，坯料中加入一定量的水分或塑化剂，使之成为具有良好塑性的料团，通过手工或机械成型。注浆法把原料配制成浆料，注入模具中成型。压制法又叫粉料成型法，是将含有
21、一定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，与粉末冶金成型方法完全一样。,,School of Materials Science and Engineering,12.4.3 烧结,陶瓷生坯在加热过程中不断收缩，并在低于熔点温度下形成致密、坚硬的具有某种显微结构的多晶体烧结体，这种过程成为烧结。,烧结时，会同时发生晶粒尺寸及其外形的变化，气孔的尺寸和外形也会发生变化。如右图所示,,School of Materials Science and Engineering,常见的烧结方法：,热压或热等静压法在压力和温度的联合作用下，使之烧结，特点：烧结速度快，致密度高，由于烧结时间短
22、，晶粒来不及长大，因此具有良好的力学性能。液相烧结法加入第二相粒子，使玻璃相沿个颗粒的接触界面分布，原子通过液体扩散传输，扩散系数大，使烧结速度加快反应烧结烧结过程中伴有固相反应过程。如Si3N4陶瓷的烧结。,,School of Materials Science and Engineering,12.5 陶瓷材料性能,(1)硬度 是各类材料中最高的；(2)刚度 是各类材料中最高的；(3)强度 理论强度很高，由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度；(4) 塑性：在室温几乎没有塑性；(5) 韧
23、性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点；(6) 热膨胀性低。导热性差，为较好的绝热材料；,,School of Materials Science and Engineering,(7) 热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）(8) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9) 导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。,,School of Materials Science and Engine
24、ering,12.5.1 陶瓷材料的脆性,陶瓷材料脆性的直观表现是抗机械冲击性差，抗温度急变性差。陶瓷材料的理论屈服强度虽然很高，但实际断裂强度都很低，这是由于陶瓷内存在大量微裂纹，一起应力集中有关。陶瓷的抗压强度为抗拉强度的15倍。这是因为压缩时，裂纹闭合或者缓慢扩展；而拉伸时，裂纹达到临界尺寸就将失稳，立即断裂。,,School of Materials Science and Engineering,12.5.2 改善陶瓷脆性的途径,1. 降低陶瓷的裂纹尺寸根据公式：可知，断裂强度与断裂尺寸的平方根成反比（a为断裂尺寸的一半），断裂尺寸越大，断裂强度越低。 提高强度的办法为：获得细小晶粒
25、，防止晶界应力过大产生裂纹，并可降低裂纹尺寸。此外，降低气孔所占分数和气孔尺寸也可提高材料的强度。,,School of Materials Science and Engineering,2. 陶瓷的相变增韧,在相转变温度1000上下循环加热和冷却，可以使纯ZrO2变为粉末，再加入一定量的CaO，得到如图所示中的单斜ZrO2立方ZrO2区。对部分稳定化的ZrO2材料，加热到高温变为正方ZrO2 立方ZrO2 ，冷却时发生正方ZrO2向单斜ZrO2转变，使陶瓷韧性大为增加，这就是陶瓷相变增韧机理。,,School of Materials Science and Engineering,相变增
26、韧也可适用于不同陶瓷基体中。下图就是四种陶瓷添加ZrO2后对断裂韧性影响的示意图。,,School of Materials Science and Engineering,3. 纤维补强,利用强度及弹性模量均较高的纤维，使之均匀分布于陶瓷基体中。当这种复合材料受到外加负荷时，可将一部分负荷传递到纤维上去，减轻了陶瓷本身的负担，其次，瓷体中的纤维可阻止裂纹的扩展，从而改善陶瓷材料的脆性。,,School of Materials Science and Engineering,12.6 工程陶瓷简介,普通陶瓷日用陶瓷建筑陶瓷电工陶瓷化工陶瓷特种陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷,,School of
27、Materials Science and Engineering,12.6.1 普通陶瓷,普通陶瓷是用粘土（clay）、长石（feldspar)、石英 (silica)为原料，经配料，成型，烧结而制成的.组织中主晶相为莫来石（andalusite）占2530，次晶相为SiO2；玻璃相占3560，是以长石为溶剂，再高温下溶解一定量的粘土和石英而形成的液相冷却后得到的；气相占1-3。优点：质地硬，不导电，耐高温，加工成型性好，成本低缺点：含较多的玻璃相，高温下易软化，强度较低。,,School of Materials Science and Engineering,普通陶瓷特点及应用,1. 日
28、用陶瓷 性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性 用途：日用器皿，工艺品艺术品等2. 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.,,School of Materials Science and Engineering,3. 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（1）导电陶瓷众所周知，通常陶瓷不导电，是良好的绝缘体。例如在氧化物陶瓷中，原子的外层电子通常受到原子核的吸引力，被束缚在各自原子的周围，不能自由运动。所以氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体。 然而，某些氧化物陶瓷加热时，处于原子外层的电子可以
29、获得足够的能量，以便克服原子核对它的吸引力，而成为可以自由运动的自由电子，这种陶瓷就变成导电陶瓷。,,School of Materials Science and Engineering,现在已经研制出多种可在高温环境下应用的高温电子导电陶瓷材料：碳化硅陶瓷的最高使用温度为1450，二硅化钼陶瓷的最高使用温度为1650，氧化锆陶瓷的最高使用温度为2000，氧化钍陶瓷的最高使用温度高达2500。 具有质子导电性的陶瓷目前已发现许多种，但作为实用材料，要求在较宽的温度和湿度范围内具有稳定的物理和化学性能，导电率高、适于高温工作及成本低等。（2）半导体陶瓷具有半导体特性、电导率约在10-6105S
30、/m的陶瓷。半导体陶瓷的电导率因外界条件（温度、光照、电场、气氛和温度等）的变化而发生显著的变化，因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号，制成各种用途的敏感元件。,,School of Materials Science and Engineering,半导体陶瓷生产工艺的共同特点是必须经过半导化过程。半导化过程可通过掺杂不等价离子取代部分主晶相离子(例如，BaTiO3中的Ba2+被La3+取代)，使晶格产生缺陷，形成施主或受主能级，以得到n型或p型的半导体陶瓷。另一种方法是控制烧成气氛、烧结温度和冷却过程。例如氧化气氛可以造成氧过剩，还原气氛可以造成氧不足，这样可使化合物的组成偏离化学计
31、量而达到半导化。半导体陶瓷敏感材料的生产工艺简单，成本低廉，体积小，用途广泛。 （3）超导陶瓷具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应（Meissner effect）。,,School of Materials Science and Engineering,高临界温度（90开以上）的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗的输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电
32、方面有广泛应用前景。（4）介电陶瓷陶瓷材料特有的高强度、耐热性、稳定性等特点，被人们普遍看好用作集成电路板的制造材料。目前作为集成电路基板的陶瓷材料主要有氧化铝、氧化铍、碳化硅及氮化铝等，其中以氧化铝应用最为普遍。这类陶瓷的介电损耗低，机械强度高，已被广泛应用于基板材料。,,School of Materials Science and Engineering,氧化铍最大的优点是导热系数高，但制造工艺较复杂，成本高，毒性大，限制了它的使用。碳化硅的导热性优于氧化铝，有人采用热压方法，已制成高性能基板，工作到200左右时其性能仍能满足实用要求，但是由于添加剂有毒性，同时热压烧结工艺复杂，限制了它
33、的发展。近年来氮化铝基板引起国内外的普遍关注。日本商品化生产氮化铝的热传导率是目前广泛使用的氧化铝瓷热传导率的10倍左右，其他电性能也和氧化铝陶瓷大致相当，有希望成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。4. 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。,,School of Materials Science and Engineering,12.6.2 特种陶瓷,特种陶瓷是二十世纪发展起来的，在现代化生产和科学技术的推动和培育下，它们“繁殖”得非常快，尤其在近二、三十年，新品种层出不穷，令人眼花缭乱。按照化学组成划分有：（1）氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化
34、钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、二氧化钍等。 （2）非氧化物陶瓷：氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等；碳化物陶瓷：碳化硅、碳化硼、碳化铀等；硼化物陶瓷：硼化锆、硼化镧等；硅化物陶瓷：二硅化钼等；氟化物陶瓷：氟化镁、氟化钙、三氟化镧等；硫化物陶瓷：硫化锌、硫化铈等；砷化物陶瓷，硒化物陶瓷，碲化物陶瓷等。,,School of Materials Science and Engineering,还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。例如，由氧化铝和氧化镁结合而成的镁铝尖晶石陶瓷，由氮化硅和氧化铝结合而成的氧氮化硅铝陶瓷，由氧化铬、氧化镧和氧化钙结合而成的铬酸镧钙陶瓷等。此外，
35、有一大类在陶瓷中添加了金属而生成的金属陶瓷，例如氧化物基金属陶瓷，碳化物基金属陶瓷，硼化物基金属陶瓷等，也是现代陶瓷中的重要品种上。近年来，为了改善陶瓷的脆性，在陶瓷基体中添加了金属纤维和无机纤维，这样构成的纤维补强陶瓷复合材料，是陶瓷家族中最年轻但却是最有发展前途的一个分支。,,School of Materials Science and Engineering,1. 氧化铝陶瓷 以Al2O3为主要成分，含有少量SiO2，在1880生成不稳定化合物莫来石。,,School of Materials Science and Engineering,根据Al2O3含量不同，分为75瓷（含75%
36、Al2O3）又称刚玉-莫来石瓷；95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。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。,,School of Materials Science and Engineering,氧化铝陶瓷强度比普通陶瓷高23倍，甚至56倍，仅次于金刚石、硼化碳、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性；刚玉瓷抗高温蠕变性能强；耐腐蚀及绝缘性也好。主要缺点是脆性大，抗热震性差，不能承受环境温度剧变。主要用于制作内燃机的火花塞，火箭，导弹整流罩，轴承，活塞，切削共聚，石油及化工用泵的密封环，熔化金属的坩埚，高温热电偶套管。,,School of Materials
37、Science and Engineering,氧化铝陶瓷图例,,School of Materials Science and Engineering,2.其他氧化物陶瓷,BeO 导热性好（180 kcal/mh），热稳定性较高，消散高能辐射的能力强，强度低（抗压强度（785MN/m2） 用途： 熔化某些纯金属的坩埚，真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷MgO CaO 抗各种金属碱性渣的作用，热稳定性差，MgO高温易挥发，CaO在空气中易水化ZrO2 呈弱酸性或惰性，导热系数小1.5-1.7kcal/mh，使用温度2000-2200，抗压强度2060MN/m2,,School of Materials
38、 Science and Engineering,,School of Materials Science and Engineering,3、非氧化物工程陶瓷,如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等陶瓷 碳化硅 弯曲强度200-250MN/m2，抗压强度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗强碱。 用途：加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料碳化硼硬度高，抗磨，熔点高2450 用途：磨料，超硬质工具材料。氮化硼 石墨类型六方结构（白石墨）-介电体和耐火润滑剂。 立方结构（-BN)-极高硬度，抗加热温度2000，是金刚石的代用品。,,School of Materials Scienc
39、e and Engineering,（1）氮化硅陶瓷是以硅粉为原料，分别采用反应烧结和热压烧结两种工艺方法制造而成。反应烧结：先把硅粉制作所需生坯，然后在1200的高温中让其与氮气初步氮化。初步氮化了的毛坯经过修制加工后，再放在1350-1450的高温下进行第二次氮化，从而制出了氮化硅陶瓷。用这一方法制出的陶瓷器件有个特点，即不会收缩，精度很高。压热烧结：先把硅粉氮化做成氮化硅粉末，再加入少量的氧化镁，置于模具里，在1700-1800的高温下施加二、三百个大气压力热压而成。后者是气孔率接近于零的致密陶瓷，前者则含有较多气孔。,,School of Materials Science and E
40、ngineering,热压氮化硅，室温抗弯强度一般都在800010000公斤/厘米2的范围内。如果添加入量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅，室温抗弯强度竟可达15000公斤/厘米2，使陶瓷材料的强度越过了一万公斤的大关。它极耐高温，受热后不熔融成液体，而一直到1900方才分解为硅和氮。同时，耐冷热急变的能力也很好，从室温突然加热到千度以上的高温，再突然扔到水里也不会开裂，为此，最适宜用来制造高温燃气轮机的叶片，高温坩埚等。,,School of Materials Science and Engineering,又有极其优良的耐磨性和耐化学腐蚀的本领，是制造各种易腐蚀部件的好材料。它能耐几乎所有的无
41、机酸（氢氟酸除外）和30以下的烧碱溶液。它也能耐很多有机物质的侵蚀。它还可以耐很多熔融的有色金属的侵蚀，特别是铝液。,氮化硅是世界上最坚硬的物质之一。用它做成切削金属的刀具，在快速磨擦而产生高热的情况下也不会软化、氧化，因此很适用于高速切削和切削诸如炮筒、刹车筒之类的硬质钢件。用氮化硅陶瓷制作燃气轮机涡轮叶片有广泛的用途。,,School of Materials Science and Engineering,（2）碳化硅陶瓷碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体，主晶相SiC。碳化硅是用石英砂（SiO2）加焦碳直接加热至高温还原而成： SiO2+3CSiC+2CO,碳化硅的烧结工艺也有反应
42、烧结和热压烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。,,School of Materials Science and Engineering,高温强度高，工作温度可达16001700 1400时，抗弯强度为500600MPa。有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射。是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。,,School of Materials Science and Engineering,（3）氮化硼陶瓷主
43、晶相BN，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称。良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多，故抗热振性和热稳定性好；高温绝缘性好，2000仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料；化学稳定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀；硬度较其它陶瓷低，可切削加工；有自润滑性，耐磨性好。氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容器和管道，高温轴承，下班制品成型模，高温绝缘材料,,School of Materials Science and Engineering,陶瓷发动机,设想一种汽车，它车体轻盈，功率强劲，能以500千米的时速奔
44、驰，无需冷却，而且节省燃料，有害废气极少。这就是陶瓷发动机所展示的美好前景。陶瓷，尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷具有高温强度、耐蚀性和耐磨性，用它们来制造发动机已成为当前世界各国奋力追求的目标。,,School of Materials Science and Engineering,陶瓷发动机的优越性为：可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，对内燃机而言，目前作为其制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300，使发动机效率提高30%左右。工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染
45、。陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。,,School of Materials Science and Engineering,陶瓷首先在高温燃气轮机中，可用于制造叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等，用陶瓷代替镍基、钴基耐热合金，成本可降低到原来的130。同时，陶瓷也可用于制造内燃机，可用于制造活塞内衬、气缸、预燃烧室、挺杆、阀门、喷嘴、涡轮增压器转子及轴承等零部件。据测算，若汽车发动机的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金发动机轻23，燃料费下降20%。阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。若能解决这个问题，将会给人类社会的发展提供强大的推动力。,,School of Materials Science and Engineering,1977年美国福特汽车公司用氮化硅和碳化硅陶瓷制造了一台全陶瓷燃汽轮机，其燃气入口温度为1230，转速为5万转分，成功地运转了25小时。1982年，瑞典沃尔沃和联合公司共同研制的燃汽轮机，成功地进行了乘用车的实际行驶，在世界上首获成功，其涡轮工作温度为l100，转速为5万转分，运行了10小时。,
