第十章 陶瓷材料 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。

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1 第十章 陶瓷材料 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。
第十章 陶瓷材料 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。 工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。

2 第一节 概述 一、陶瓷材料的特点 二、陶瓷材料的分类 第二节 常用工业陶瓷 一、普通陶瓷 二、新型结构陶瓷

3 第一节 概述 一、陶瓷材料的特点 1、陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。

4 晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。
玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高 材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。 气相是在工艺过程中形成并保留下来的。

5 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。
2、陶瓷材料的结合键特点 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。 共价键 离子键

6 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。
3、陶瓷材料的性能特点 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。 韧性陶瓷硬度压痕 脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹

7 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。
4、陶瓷材料的工艺特点 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。 Al2O3粉末的烧结组织 ZrO2陶瓷中的气孔

8 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
二、陶瓷材料的分类 1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。 导电玻璃 玻璃幕墙

9 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料.
2、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料. 特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 陶瓷零件

10 第二节 常用工业陶瓷 一、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。

11 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。 景德镇瓷器
普通陶瓷加工成型性好,成本低，产量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。 景德镇瓷器 绝缘子

12 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。
二、新型结构陶瓷 Al2O3化工、耐磨陶瓷配件 Al2O3密封、气动陶瓷配件 单相Al2O3陶瓷组织 ⑴ 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。

13 据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。
氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石) 。 95瓷纺织件 99瓷纺织件 氧化铝耐高温喷嘴

14 氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩 埚、热偶套管, 淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。
氧化铝陶瓷转心球阀 氧化铝陶瓷密封环 氧化铝陶瓷坩埚

15 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO 烧结工艺 优点 缺点 反应烧结 热压烧结
价键固体。 ① 氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO 烧结工艺 优点 缺点 反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀性差 热压烧结 用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低

16 热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。
③ 性能特点及应用 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。 Si3N4轴承 热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。

17 反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。
汽轮机转子 叶片气阀等零件

18 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。
⑶ 碳化硅（SiC）陶瓷 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。 常压烧结碳化硅 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。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。

19 碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。
SiC密封件

20 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。
SiC陶瓷件 SiC轴承

21 氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速， 引起很大的体积变化，易使制品开裂。
⑷ 氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速， 引起很大的体积变化，易使制品开裂。 ZrO2 氧化锆单相陶瓷

22 减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。
在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。 ZrO2陶瓷耐火件 减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。

23 氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。
部分稳定氧化锆组织

24 部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。
部分稳定氧化锆制品

25 氧化锆制品 氧化锆油泵 氧化柱塞 氧化锆拉线轮 氧化锆球阀 部分稳定氧化锆喷涂层 增韧氧化锆导轮芯轴