1、一、陶瓷概述 1陶瓷相组成晶相、玻璃相和气相（气孔） 晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）氧化物（MgO、Al2O3）非氧化物（SiC，Si3N4）等。,第2章 现 代 陶 瓷,玻璃相的作用粘结分散的晶相，填充晶体间空隙，降低烧成温度；抑制晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能不利，所以不能多。,玻璃相,气相指陶瓷孔隙，是陶瓷生产过程中形成并保留下来的，气孔对陶瓷性能的影响：有利使陶瓷密度减少，并能吸收震动；不利使陶瓷强度降低，电击穿强度下降，绝缘性下降。 结论：生产中对陶瓷中的
2、气孔数量、形状、大小和分布有所控制。,气 相,2. 陶瓷材料的结合键离子键MgO、Al2O3共价键金刚石、Si3N4混合键离子键与共价键混合。,离子键,共价键,硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元,以离子键结合的晶体称为离子晶体。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。固态时绝缘，但熔融态可导电。,Al2O3结构,以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。固态、熔融态时都绝缘。,3. 陶瓷的晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷,点缺陷陶瓷晶体中存在置换原子、间隙原子和空位。 陶瓷
3、材料的导电性能等与点缺陷有关。陶瓷的烧结、扩散等物理、化学过程也与点缺陷有关。,点缺陷,线缺陷位错,陶瓷材料中形成位错所需能量较大，不易形成位错。因此，陶瓷材料中位错密度很低。,位 错,陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就陶瓷材料中的面缺陷。,面缺陷,面缺陷,对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度。,4陶瓷的性能特点（机械性能） 高硬度 大多数陶瓷材料的硬度比金属高得多，故其耐磨性好（它的硬度仅次于金刚石）。 高弹性模量与高脆性陶瓷拉伸时几乎没有塑性变形，在拉应力下产生一定弹性变形后直接脆断，弹
4、性模量比金属高。陶瓷材料的塑性和韧性较低。裂纹尖端的应力集中，受到外应力时扩展，是陶瓷材料断裂的根本原因。, 低抗拉强度和较高的抗压强度 陶瓷属于脆性材料。陶瓷晶粒越细，强度越高。, 优良的高温强度和低的抗热震性 陶瓷材料具有优于金属材料的高温强度、抗蠕变能力，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。缺点：但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）当温度剧烈变化时易裂。, 热学性能热容、熔点、热膨胀,热容：陶瓷材料在低温下热容小，高温下热容增大。 熔点：离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。 热膨胀：陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为105106/K。 电学性能陶瓷材料
5、是良好的绝缘体。陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。,二、陶瓷的成形工艺,混合料的制备,塑化：特种陶瓷的坯料没有可塑性，成形时会出现裂纹，因此成形前要进行塑化处理。,无机塑化剂粘土等,粘结剂（如聚乙烯醇） 增塑剂（如甘油） 溶剂 （如无水乙醇）,有机塑化剂,造 粒：加入塑性剂后，将细颗粒原料制备成粒度较粗的混合料，以改善其流动性。,1模压成形模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压成一定形状的坯体的方法。,2冷等静压成形利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方向对坯体进行压制的工艺。冷等静压可分为干式和湿式两种形式。,3注浆法成形
6、以水为溶剂、粘土为粘结剂和陶瓷粉体混合，配制成的具有较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形状的石膏模中成形的方法。,4热压铸成形借鉴金属压铸成形的工艺思路，利用石蜡的高温流变特性，对陶瓷石蜡流体进行压力下的铸造成形。,1）料浆的制备：将陶瓷粉体与612石蜡和0.11硬脂酸表面活性剂加热到6080再与熔化的石蜡混合。 2）压铸：在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。,5塑性成形 借鉴金属的挤压成形和轧制成形工艺。,将具有可塑性的泥料，通过挤机嘴成形。,6轧膜成形将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于轧辊上混炼，使之混合均匀，吹风使溶剂挥发，形成一层厚膜；调整轧辊间距，反复轧制，可制得薄片瓷坯。,三、
7、陶瓷烧结,烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降 低、机械性能提高的致密化过程。,烧结驱动力：粉体表面能降低和系统自由能降低。,烧结分类,烧结的主要阶段1、烧结前期阶段（坯体入炉90致密化） 粘结剂等的脱除：如石蜡在250400全部汽化挥发。 随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔隙变得封闭，并孤立分布。 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。,2、烧结后期阶段 孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处。 晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。,烧结过程的物质传递,固相烧结法,反应烧结法,例:,四、陶瓷分类,普通陶瓷（硅酸盐材料）特种陶瓷（人工
8、合成材料）,按原料分类,结构陶瓷项目 (本章讨论重点) 功能陶瓷 (本章讨论重点) 陶瓷耐火材料 玻 璃,按用途分类,氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等） 碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等） 氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等） 新型碳化物陶瓷（C3N4等） 硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等） 复合陶瓷（3Al2O32SiO2(莫来石) 等）,按成分分类,特种陶瓷本章讨论内容特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其
9、它功能的陶瓷材料。,特种陶瓷制备主要过程,1、必须经过粉料合成，原料是高纯度的化学试剂；2、烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由类似于晶体生长的方法制得。,特种陶瓷的制备,现代陶瓷制备过程中须严格控制原料的纯度和工艺过程以及产品的化学组成、相组成和显微结构。现代陶瓷在显微层次上是不均匀的。显微结构包括晶粒、晶界和缺陷等。为了获得某一特殊性质，多晶陶瓷材料可以某一成分为主成分（或主相），再人为地加入其他次要成分（或次要相）。,特种陶瓷的特点,第1节 普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生
10、陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。,外 墙 锦 砖,内 墙 砖,陶瓷地砖,塔尔寺绿硫璃砖墙,黄琉璃瓦檐,普通陶瓷的原料粘土、石英和长石。特点坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。 普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。,普通陶瓷的特点与应用,普通工业陶瓷有炻器和精陶。建筑卫生瓷装饰板、卫生间装置及器具等；电工瓷电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷化学化工瓷化工、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,卫生陶瓷,电 工 陶 瓷,化学化工瓷,三大类 氧化物结构陶瓷化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度
11、高。Al2O3、ZrO2、BeO和MgO陶瓷 碳化物结构陶瓷高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC 氮化物结构陶瓷高耐火度、高硬度、高耐磨性。Si3N4为主要成分。,第2节 结构陶瓷,Al2O3陶瓷Al2O3少量SiO2,根据Al2O3含量分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）刚玉瓷（95瓷，99瓷）常见的三种晶体结构：-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 ，同时体积收缩1314.5%。 -Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。,Al2O3陶瓷的性能及应用,1、高强度、高
12、温稳定性：喷嘴、火箭、导弹的导流罩 ； 2、高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承；,耐火材料,热电偶保护套,轴 承,3、低介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座；4、熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；,坩埚,氧化铝陶瓷基板,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。,生物陶瓷,ZrO2陶瓷,晶体结构,m-ZrO2：单斜晶系（1170） t- ZrO2：四方晶系（11702370 ） c-ZrO2：立方晶系（23702715 ）,备注：氧化锆熔点为2715 。,由单斜向四方的转变是可逆的，并伴随有7
13、的体积变化。陶瓷烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如Y2O3。,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。,ZrO2陶瓷的性能及应用,切削刀具,碳化硅陶瓷,SiC陶瓷有SiC 和SiC两种晶体结构。前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。,SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下能保持高的弯曲强度；SiC陶瓷热传导能力好，抗蠕变
14、性能好，对酸性熔体有很强的抵抗力。,SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。,氮化硅陶瓷Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，六方晶系。,Si3N4陶瓷的性能,硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；具有优异的绝缘性；线膨胀系数小，热导率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。,Si3N4用途：优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。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、电磁泵管道和阀门等。,高温轴承,TEMTransmissionElectron Microscope,作业题1、陶瓷材料的晶体缺陷有几种？其中导电性与何种缺陷有直接关系？2、陶瓷材料的最大弱点是什么？3、由晶体结构和化学键来说明为什么陶瓷材料热膨胀系数小。 4、陶瓷材料主要有哪些相组成，各有什么作用？5、简述陶瓷材料的力学性能特点。,
