1、第十章 陶瓷材料,10.1 陶瓷材料概述10.2 陶瓷材料的结构和性能10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金10.4 常用陶瓷材料, 10.1 陶瓷材料概述,一、陶瓷材料的概念,传统的陶瓷材料是粘土、石英、长石等硅酸盐类材料，而现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。其原料已不再是单纯的天然矿物材料， 而是扩大到人工化合物（如Al2O3、SiO2、ZrO2等）。,氧化锆陶瓷,唐三彩,10.1 陶瓷材料概述,二、陶瓷材料的分类,（一）按化学成分分类 1. 氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等） 2. 碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等） 3. 氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等） 4. 硼化物
2、陶瓷（TiB2、ZrB2等） 5. 复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷等（3Al2O32SiO2（莫来石） 等）,（二）按原料分类 普通陶瓷（硅酸盐）、特种陶瓷（人工合成）,（三）按性能和用途分类 日用陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷等。 高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、半导体陶瓷等。,10.1 陶瓷材料概述,显微结构分析的进步,性能研究的深入,相邻学科的推动,无损评估的成就,陶瓷研究发展的三个阶段,10.1 陶瓷材料概述,三、陶瓷的发展,1. 新石器时代，我们的祖先就会制作陶器。然而陶器仅是一种含有较多气孔、质地较松的未完全烧结制品。2. 东汉晚期，陶器步入了瓷器阶段，这是陶瓷技术发展史上十分
3、重要的里程碑。,10.1 陶瓷材料概述,三、陶瓷的发展,3. 随着科学技术的进步与发展，由瓷器又衍生出许多种类的陶瓷。日用陶瓷、工业陶瓷与水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料制品等统称为硅酸盐制品。人们一般将这一类陶瓷制品成为传统陶瓷或普通陶瓷。,10.1 陶瓷材料概述,三、陶瓷的发展,4. 20世纪以来，特别是第二次世界大战之后，随着宇宙开发、原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，陶瓷研究的发展则从传统陶瓷跃入第二阶段先进陶瓷阶段。先进陶瓷（Advanced Ceramics）是为了有别于传统陶瓷而言的。,10.1 陶瓷材料概述,三、陶瓷的发展,先进陶瓷是在传统硅酸盐陶瓷的基础上，吸收了相邻学科
4、的先进技术而发展起来的一门综合而又相对独立的学科。这一阶段先进陶瓷被称为微米级先进陶瓷。,超声波雾化器用压电陶瓷晶片,金属陶瓷阀门,氮化硅陶瓷轴承,10.1 陶瓷材料概述,三、陶瓷的发展,5. 20世纪90年代，陶瓷研究进入了第三个阶段纳米陶瓷阶段。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中物相具有纳米（nm）级尺度的陶瓷材料，它包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的尺度上。,10.1 陶瓷材料概述,三、陶瓷的发展,TiO2陶瓷薄膜AFM照片,纳米陶瓷是当前陶瓷材料研究中的一个十分重要发展趋向，它将促使陶瓷材料从工艺到理论、从性能到应用提高到一个崭新阶段。,10.1 陶瓷材料
5、概述,三、陶瓷的发展,四、陶瓷在现代化建设中的作用,首先，陶瓷是人民日常生活中听不可缺少的日用品，几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器。其次，陶瓷又是制造美术陈设器皿的最耐久最富于装饰性的材料，在我国外贸中占有一定的地位。,10.1 陶瓷材料概述,再次，陶瓷又是一个原料来源丰富，传统技艺悠久，具有坚硬、耐用及一系列优良性质的材料，在建筑、电力、电子、化学、冶金工业等，甚至农业和农产品加工中都大量应用。最后，随着现代科学技术的飞速发展，使得具有优良性能的特种陶瓷得到了广泛应用。,10.1 陶瓷材料概述,四、陶瓷在现代化建设中的作用,10.2 陶瓷材料的结构和性能,一、陶瓷材料的结构二
6、、陶瓷材料的性能,一、陶瓷材料的结构,10.2 陶瓷材料的结构和性能,陶瓷材料是多相材料，一般由晶相、玻璃相和气相组成。其显微结构由其原料、组成和制造工艺所决定。,一、陶瓷材料的结构,晶相：是陶瓷材料的主要组成相，有化合物或固溶体。晶相可分为 主晶相（对陶瓷材料的性能起决定性作用，主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种）、次晶相和三晶相。晶相的结构、数量、形态和分布，决定了陶瓷的主要特点和应用。2. 玻璃相：是一种低熔点的非晶态固相，其作用是粘接非晶态晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大等。玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性等是不利的，不能成为陶瓷的主导组成部分，一
7、般含量为2040%。3. 气相（气孔）：是陶瓷组织内部残留下来未排除气体，通常以气孔形式出现。根据气孔含量，可将陶瓷分为致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔都是不利的，它降低了陶瓷的强度和导热性能，也常常是造成裂纹的根源，应尽量减少制品中的气孔含量。,10.2 陶瓷材料的结构和性能,许多高性能陶瓷几乎都是不含玻璃相的结晶态陶瓷。工业陶瓷力求气孔小、数量少，并分布均匀。,烧结体自由表面SEM照片,相同区域的Bi元素特征X射线相,ZnO-Bi2O3陶瓷的组织形态,一、陶瓷材料的结构,10.2 陶瓷材料的结构和性能,二、陶瓷材料的性能,与金属材料不同，陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价
8、键，因而使其具备了一些独特的性能。（一）力学性能1. 硬度极高（一般为1000 5000 HV），耐磨性极高。2. 弹性模量高、刚度大，是各种材料中最高的。3. 强度：抗拉强度很低，抗弯强度稍高，而抗压强度很高。4. 塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性，难以进行塑性加工。,10.2 陶瓷材料的结构和性能,二、陶瓷材料的性能,（二）物理、化学性能1. 熔点很高，大多在2000以上，具有很高的耐热性能。2. 线膨胀系数小，导热性和抗热振性较差，受热易破裂。3. 化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性。4. 大多数陶瓷具有高电阻率，少数具有半导体性质；许多陶瓷具有特殊性能
9、，如光学性能、电磁性能等。,10.2 陶瓷材料的结构和性能,一些材料的平均热膨胀系数,二、陶瓷材料的性能,10.2 陶瓷材料的结构和性能,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金法是一种用粉末制备，经压制成型、烧结而制成零件的方法。,一、陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺二、粉末注射成形工艺三、粉末冶金材料,陶瓷的生产工艺和粉末冶金的生产工艺相似，一般都是经过原料配制、坯料成型、制品烧结、后加工处理等四个阶段，因此粉末冶金法可看成是陶瓷生产工艺在冶金中的应用。,一、陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺,1. 原料配制 粉末制取 - 配料 - 混料-制成坯料 机械法，如球磨法、雾化法等； 物理化学法，如还
10、原法、电解法、化学置换法等制备粉末。,2. 坯料成型 将坯料装入模具内，通过一定方法制成具有一定形状、尺寸和密度的生坯。 成型方法：可塑性成型、注浆成型、压制成型（其中又有干压成型、热压成型、注射成型、冷等静压成型、热等静压成型、爆炸成型）等。,3. 制品烧结 干燥后的生坯加热到高温，通过一系列的物理化学变化，获得所要求的性能。 有常压烧结、热压烧结、反应烧结、气氛加压烧结和热等静压烧结等。,4. 后加工处理,10.3 陶瓷的生产工 艺与粉末冶金,一、陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金压机,粉末冶金V形混粉机,中南大学粉末冶金国家重点实验室视频,二、粉末
11、注射成形（PIM）,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,注射成形工艺流程,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末注射成形（PIM）技术优势：（1）可成形复杂结构的零件；（2）尺寸精度高；（3）与PM相比，微观组织均匀，密度高，性能好；（4）低成本；（5）材料非常广泛。 但最小质量0.1g，最大质量800g。 现代烧结技术“三高一低”（高强度、高性能、高精度、低成本）“三耐”（耐磨损、耐高温、耐腐蚀）,二、粉末注射成形（PIM）,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,真空烧结炉,注塑机,三、粉末冶金材料,粉末冶金材料包括金属材料及其合金、一些陶瓷材料及复合材料等。,（一）粉末冶金机器零件材料 1
12、. 减摩材料 制滑动轴承、垫圈、密封圈等。 2. 结构材料 制齿轮、凸轮、连杆、轴承、离合器、垫圈等。 3. 多孔材料 用于过滤、分离、磷化、阻尼、渗透、热交换等。 4. 摩擦材料 制刹车片、制动片、离合器片、变速箱摩檫片等。,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,按用途分: 机器零件材料、工具材料、高温材料、电工材料、磁性材料等。,三、粉末冶金材料,F Z 1 3 6 0,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金滑动轴承,铁基（Cu基，2）,辅加组元序号（C、Cu）,含油密度5.76.2 gcm-3,三、粉末冶金材料,FTG 60 - 20,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金结构
13、材料,0.4%0.7%C,b=200MPa,FTG60Cu3Mo-40,三、粉末冶金材料,FM 1 01 S,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金摩擦材料,Cu基（Fe基，2）,顺序号,湿式（干式，G）,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金摩擦材料,粉末冶金不锈钢结构件,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,粉末冶金多孔过滤材料,含油轴承的定义，美Oilless Bearing 欧洲Selflubricating Bearing 不是轴承含有油，不是使用时不需要补加润滑油。而是已经含有一定量
14、的润滑油，使用时不需要经常补加润滑油或只需少量地补充润滑油。 特点：含有的微孔有利于磨合；位于微孔中的润滑油可在摩擦表面形成油膜，在启动期间和在摩擦组件的各种条件下都能保证边界润滑。 又称“自润滑轴承”。 但某些场合，不适合使用烧结金属含油轴承。如：流体润滑条件下因其孔隙数量大，负荷区的润滑油层通过孔隙泄漏，承载能力减小。不适于交变荷载（疲劳极限值受限制）,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,铜基含油轴承以锡青铜粉末为原料，经过模具压制， 在高温中烧结后整形而成。它的基体有细微、均布的孔隙，经润滑油真空浸渍后形成含油状态。,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金
15、,与铸造轴承合金比：可精确调节减摩性能；材料利用率高，无切削损失；节能；环境无污染或最小可用黑色金属取代昂贵的有色金属。生产过程（右图）用途：如事务机器（打印机、复印机、传真机等相关轴承）,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,干摩擦轴承：无润滑轴承/不从外部补加润滑油（脂）的轴承。塑料类，最多的是PTFE系轴承，0.04（小）金属类陶瓷类,三、粉末冶金材料,（二）粉末冶金工具材料 包括各种硬质合金、粉末高速钢、精细陶瓷（特种陶瓷）、金刚石-金属基复合材料。,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,硬质合金是由难熔的金属碳化物（
16、WC、TiC、TaC 等）为基体加入适量金属或合金粉末（如Co、Ni、高速钢等）为粘接相而制成的、具有金属性质的粉末冶金材料。其抗弯强度高，硬而不脆，是因为碳化物呈细小颗粒形貌存在。分为金属陶瓷硬质合金、碳化铬硬质合金、钢结硬质合金。,硬质合金的应用视频,金属陶瓷硬质合金 以WC、TiC、TaC为基体，以Co粉为粘接相形成的硬质合金。通常所说的硬质合金即为金属陶瓷硬质合金。其性能特点：高的硬度、热硬性和耐磨性；高的抗压强度和弹性模量，抗弯强度较高，但冲击韧性低，脆性大，导热性差。,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,（1）
17、钨钴类硬质合金 由WC和Co组成，有些牌号也加入少量YaC、VC等。,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,代号：YG + 钴的质量百分数（wCo100%），常用代号有YG3、YG6、YG8。,此类硬质合金具有较高的强度和韧性，但高温硬度和高温韧性较差。主要用于制造刀具、模具、量具、耐磨零件等，其刀具主要用来切削脆性材料，如铸铁、有色金属等。,（2）钨钴钛类硬质合金 由WC、TiC和Co组成。,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,代号：YT + TiC的质量分数（wTiC100%）表示， 常用代号有YT5、YT15、YT30。,此类硬质合金具有较高的硬度、耐磨
18、性和热硬性，但强度和韧性低于钨钴类。其刀具主要用来切削韧性材料，如各种钢。,硬质合金镶齿木工圆锯片,（3）钨钴钛钽类硬质合金 由WC、TiC、TaC和Co组成。,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,代号：YW + 顺序号表示，如YW1、YW2等。,此类合金热硬性高，性能介于YG和YT类之间，其刀具可用来加工各种钢、铸铁和有色金属， 又称为万能硬质合金。,2. 碳化铬硬质合金 以Cr3C2为基体（或加入少量WC），以Ni或Ni 基合金为粘接相形成的硬质合金。,三、粉末冶金材料,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,此类合金具有极高的抗高温氧化性，加热到1100 以上仅表面变色；具
19、有高的耐磨性，但强度较低。 代号：YLN 及 YLWN + Ni 的质量百分数（ wNi100 %）表示 ， 如YLN15（P）、YLWN15。 此类硬质合金可用于电真空玻璃器皿成型模、铜材热挤压模、燃油喷嘴、油井阀门阀球、轴承、机械密封摩擦副等。,3. 钢结硬质合金 以WC和TiC为硬质相，以合金钢粉为粘接相（质 量分数占50%以上）而形成的硬质合金。,三、粉末冶金材料,此类合金和钢一样可以锻造、焊接、热处理和机械加工；淬火后硬度可达 62 73HRC；其刀具的寿命与YG类硬质合金差不多，比合金工具钢高得多。但回收利用困难。 用于制造麻花钻、铣刀等形状复杂的刀具及模具和耐磨零件。 典型牌号有
20、GT35（含TiC35% ）、GW50（含WC50% ）、 ST60（含TiC60%）等。,10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金,磨硬质合金刀具，严禁用水冷却，以免刀头过热沾水急冷而产生裂纹。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷（一）铁电陶瓷 制电容器、压电元件、电热器件等。（二）压电陶瓷 制压电换能器、压电电动机、压电变压器等。（三）半导体陶瓷 制发热体、化油器等。（四）氧化锆固体电解质陶瓷（五）生物陶瓷 制人造骨骼等。,一、工程结构陶瓷材料（一）普通陶瓷 建筑陶瓷、电工陶瓷、化工陶瓷（二）特种陶瓷 Al2O3、Si3N4、SiC、BN、ZrO2,表10-1 常用陶瓷材料的性能,1. Al2
21、O3陶瓷,Al2O3少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。,晶体结构 有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：-Al2O3、-Al2O3 、-Al2O3 。 -Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600转变为-Al2O3 。-Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,制备方法：,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,性能与应用：,（1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩 ；,10.4
22、 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,氧化铝陶瓷喷嘴,（2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,人造宝石（红刚玉）Al2O3与少量Cr2O3形成的固溶体,（3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座；,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,氧化铝陶瓷火花塞,（4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料、坩埚、炉管、
23、热电偶保护套等；,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,氧化铝热电偶套管,刚玉（Al2O3%95%）坩锅,（5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。（6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1.Al2O3陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,氧化铝陶瓷肘关节,1. Al2O3陶瓷,透明Al2O3陶瓷 是高压钠灯极为理想的灯管材料，在高温下与Na蒸气不发生作用，又能把95以上的可见光传送出来。相同功率下，一只高压Na灯比2只水银灯或10只普通白炽灯还要亮，寿命比普通白炽灯亮20倍，2000
24、0小时，寿命最长。 人眼对高压Na灯的黄色谱线十分敏感，黄光能透过浓雾，特别适合街道、广场、港口、机场、车站等大面积的照明，效果极好。透明的关键，是坯体中只能有一种晶型的晶体，而且对称性愈高愈好，气孔越少越好。全透明MgAl尖晶石陶瓷 似玻璃，很硬！用作飞机挡风玻璃、汽车防弹窗、坦克观察窗、炸弹瞄准具等。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,透明氧化铝管Al2O3(99.9%)+少量MgO,La2O3等,1. Al2O3陶瓷,氧化铝陶瓷密封环,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. Al2O3陶瓷,氧化铝
25、陶瓷螺栓,以Si3N4为主要成分的陶瓷。,晶体结构：有-Si3N4及-Si3N4两种晶型，都属于六方晶系晶体。,制备方法：反应烧结法、热压烧结法、气氛加压烧结法、化学气相沉积法。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,性能特点：,（1）较高硬度，仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼等。（2）耐磨，具有自润滑性，利用这种特性可作机械密封材 料，但它仍属于脆性材料，受瞬时冲击易破碎。（3）热膨胀系数仅为2.5310-6/，比MgO、Al2O3低很多。 其热导率是较高的，可达18.4W/(mK)。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,性能特点
26、：,（4）低的热膨胀系数、高的热导率及机械强度使其具有优良的抗热震性。 （5）抗氧化温度可达1300 1400，具有高温抗氧化性。 （6）几乎不受各类无机酸的腐蚀，常温下不受强碱作用，但易被熔融碱液侵蚀。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,性能特点：,（7）不受大部分熔融金属侵蚀，不反应，不润湿，如用Si3N4作容器，用熔融铝浸泡280 h 也不反应。 （8）制品在烧结过程中，几乎不发生收缩，可制成精密度高的产品。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,应 用：,用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电
27、磁泵管道和阀门等。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅刀具,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷刀具,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷密封环,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷手机盖板,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷阀片,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷耐磨阀,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化
28、硅陶瓷热电偶套管,抗氧化、抗热震、耐高温、耐腐蚀,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷滚珠,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷电热元件,高温机械强度高、抗热冲击能力强、耐酸碱腐蚀，既具有优良的绝缘性能，又有良好的导热性能。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,氮化硅陶瓷电热塞,适用于高速柴油机、高温点火装置、适用各高温点火装置。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,2. Si3N4陶瓷,3. 赛隆（ sialon ）陶瓷,Si3N4与Al2O3可形成一系列固溶体，所得
29、的Si-Al-O-N陶瓷材料称为sialon(音译为赛隆)。也可看作AlN和SiO2的固溶体。,赛隆陶瓷的高温强度、抗氧化性、抗蠕变性、抗热冲击性能均优于Si3N4。添加Y2O3、MgO等外加氧化物时，无压烧结的致密度甚至接近理论密度。虽然其性能因杂质含量高而有所下降，但成本低廉，易大规模生产。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,目前最成功的应用是切削刀具，用于铸铁、镍基高温合金切削效果非常好，比TiN涂层硬质合金刀具切削速度快5倍，金属切除率提高50 % 93%，切削时间减少90%。在其它领域，凡是Si3N4可应用的地方，赛隆陶瓷均可应用。,3. 赛隆(sialon)陶瓷,10.
30、4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,3. 赛隆（ sialon ）陶瓷,4. SiC陶瓷,以SiC为主要成分的陶瓷。,晶体结构：有75种变体，如 - SiC、 - SiC、3C-SiC、4H-SiC、15R-SiC等，可分为立方晶系、六方晶系和菱形晶系。其中 - SiC、 - SiC最为常见。 - SiC是高温稳定型， - SiC是低温稳定型。 - SiC在2100 2400可转变为 - SiC。,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,制备方法：常压烧结法、反应烧结法、热压烧结法。,性能特点：具有硬度高、高温强度高、抗氧化性好、耐腐蚀性好和热导率高等一系列优点，是一种十分重要的高温
31、陶瓷材料。,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,应用：可用于制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,碳化硅陶瓷零件,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,碳化硅陶瓷密封环,4. SiC陶瓷,10.4 常用
32、陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,SiC轴承,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,SiC喷嘴,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,4. SiC陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,立方BN由于其高硬度和其它优异性能，最大应用前景是切削工具和切削材料，可用加工硬而韧、易于黏结的难切削材料，还可用来加工氮化硅等高硬陶瓷材料。,5. BN陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,氮化硼刀具,5. BN陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,6. Z
33、rO2陶瓷,晶体结构：,氧化锆是一种多晶型氧化物，有三种变体，在不同温度下互变：,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,性能与应用,（1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等：（2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。（3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,6. ZrO2陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,10.4 常用陶瓷材料,一、工程结构陶瓷材料,1. 铁电陶瓷,有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同
34、取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。 应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,铁电陶瓷片式（Chip）电容器（图中黄色长方形小块体），用于计算机硬盘驱动电路,利用铁电陶瓷的高介电常数。,1. 铁电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷视频,压电效应（1） 正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这
35、种现象称为正压电效应。（2） 逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成正比例的变形或机械应力。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷,晶体是否呈现压电效应，由晶体结构所决定。凡具有对称中心的晶体不呈现压电效应。 32类晶族中，有21种无对称中心，其中一种的压电常数为零，因此， 20种是可以有压电效应的。 陶瓷材料的压电效应来源于材料本身的铁电性。将具有铁电性的陶瓷进行人工极化后所获得的陶瓷就是压电陶瓷。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷,压电陶瓷分为压电振子和压电换能器两大类。（1）压电振子利用振子本身谐振特性，要求压电、 介电、弹性等性能
36、稳定，机械品质因数高。（2）压电换能器直接利用正、逆压电效应进行机械能和电能转换，要求品质因数和机电耦合系数高。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,利用压电陶瓷的机电换能作用和串联谐振特性。,压电陶瓷滤波器,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,压电陶瓷变压器,利用压电效应，通过电能机械能电能的二次能量转换形式，达到能量的传递。具有体积小、重量轻、耐高温、耐辐射
37、、高可靠性、无短路击穿等优良特性。如：高压电源、负离子发生器、静电复印机、警用电击器、液晶显示背光电源、小功率激光管电源等中小功率器件。,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,压电陶瓷超声波传感器,当电压作用于压电陶瓷晶片时，压电陶瓷会因弯曲振动发射出超声波。另一方面，当向压电陶瓷晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。,2. 压电陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,压电陶瓷电机,精密压电陶瓷电机采用压电现象中的超声波驻波原理，具有优异的低速平稳性和动态特性。同一台电机可直接驱动直线运动或旋转运动。,2. 压电陶瓷,1
38、0.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,3. 半导体陶瓷,导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料，电阻率约为10-4107cm。陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导特性。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,共同特点：它们的导电性随着环境而变化。利用这一特性可制成各种不同类型的陶瓷敏感元件，如：热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。,3.半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,热敏半导体陶瓷,热敏陶瓷温度传感器是利用材料的电阻、磁性、介电性等随着温度而变化的现象制作的器件。可用于制作温度的测定、线路温度补偿及稳频等元件，具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单
39、及价格便宜等特点。,3.半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,热敏半导体陶瓷,（1）电阻随着温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。,（2）电阻随着温度升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻。,3.半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,（3）电阻在特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称CTR临界温度热敏电阻。,内部有一正温度系数半导体陶瓷。电流通过时会发热，当温度升到所需温度时，它的电阻急剧增大，使通过电流减小，陶瓷片维持在使驱蚊药水缓慢蒸发所需的温度。 PTC陶瓷既可通电发热，又可自动控温。,电蚊香,3. 半导体陶瓷
40、,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,热敏半导体陶瓷,利用热敏陶瓷的电阻随温度而变的特性，用它测量温度，比其他方法测温响应快、精度高。,半导体温度传感器,3. 半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,热敏半导体陶瓷,气敏半导体陶瓷,随着现代科学技术的发展，人们使用和接触的气体越来越多，其中某些易燃、易爆、有毒气体，既危及安全，又严重污染环境。气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,3. 半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,二氧化碳传感器,气敏半导体陶瓷,
41、3. 半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,燃气报警器,气敏半导体陶瓷,3. 半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,烟雾报警器,气敏半导体陶瓷,3. 半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,酒精传感器,气敏半导体陶瓷,3. 半导体陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,4. ZrO2固体电解质陶瓷,ZrO2中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,5. 生物陶瓷,生物陶瓷是具有特殊生理行为的陶瓷材料，可以用来构成人体骨骼和牙
42、齿等的某些部位，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某种组织和器官，或增进其功能。,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,（1）生物相容性；（2）力学相容性；（3）与生物组织有优异的亲和性；（4）抗血栓；（5）灭菌性；（6）具有很好的物理、化学稳定性。,必须具备下列条件：,5. 生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,目前，生物医学陶瓷一般可分四大类：（1）惰性生物陶瓷：包括A2O3陶瓷和各种碳制品。（2）表面活性生物陶瓷：包括羟基磷灰石(HA)陶瓷、 表面活性玻璃(SAG) 、表面活性玻璃陶瓷(SAGC)。,5. 生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,（3）吸收性生物陶瓷，
43、包括硫酸钙、磷酸三钠和钙磷酸盐陶瓷。（4）生物复合材料，包括陶瓷在金属上的涂层、SAGC-有机玻璃(PMMA)、SAG-金属纤维、HA-自生骨头、HA-聚乳酸(PLA)等。,5.生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,生物陶瓷人工骨,5. 生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,人造骨关节,心脏起搏器,5. 生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,羟基磷灰石生物陶瓷,5. 生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,生物陶瓷温灸棒,5. 生物陶瓷,10.4 常用陶瓷材料,二、功能陶瓷,金属氧化物或碳化物 （AL2O3，ZrO2 ，TiC，WC 等) +添加适量的金属
44、粉末 (Co，Ni，Cr，Fe，Mo等）。,制备方法：粉末冶金 过程：制粉 压制成型烧结后处理等。,10.4 常用陶瓷材料,三、金属陶瓷,性能特点：金属陶瓷兼有陶瓷和金属的优点，既具有金属的韧性、高导热性和良好的抗热冲击性，又具有陶瓷的高硬度、耐高温 、耐腐蚀和耐磨损等特性。,10.4 常用陶瓷材料,三、金属陶瓷,应用：利用金属陶瓷的耐热性和高温强度，可用做火箭、导弹、喷气发动机的零件，以及高温轴承和坩锅等；利用其高硬度，可用做金属切削刀具(如金属陶瓷硬质合金刀具)、拉丝模套和轴承材料等；利用其导电性能，可用做发热体和电刷等元件。,10.4 常用陶瓷材料,三、金属陶瓷,表10-1 常用陶瓷材料的性能,10.4 常用陶瓷材料,
