第4章陶瓷工程材料
《第4章陶瓷工程材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章陶瓷工程材料（89页珍藏版）》请在文档大全上搜索。
1、第四章第四章 4.1 4.1 陶瓷工程材料概述陶瓷工程材料概述o陶瓷材料（陶瓷材料（CeramicsCeramics） 指所有无机非金属材料中是用天然或人指所有无机非金属材料中是用天然或人工合成的粉状化合物，经成型和高温烧工合成的粉状化合物，经成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。结而制成的多晶固体材料。4.1.1 4.1.1 陶瓷材料的分类与生产陶瓷材料的分类与生产o （1 1）分类）分类o 陶瓷材料按原料来源分：普通陶瓷、特种陶瓷。普通陶瓷又陶瓷材料按原料来源分：普通陶瓷、特种陶瓷。普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然硅酸盐矿物为主要原料，如黏土、石英、称传统陶瓷。以天然硅酸盐矿物为主要原料，如黏土
2、、石英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、长石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化化工陶瓷、多孔陶瓷。特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合物为主要原料的人工合成化合物。合物为主要原料的人工合成化合物。 o 按用途分类：陶瓷材料可以分为日用陶瓷和工业陶瓷。工业按用途分类：陶瓷材料可以分为日用陶瓷和工业陶瓷。工业陶瓷包括工程结构陶瓷和功能陶瓷。陶瓷包括工程结构陶瓷和功能陶瓷。o 按性能可将陶瓷分为：高强度陶瓷、高温陶瓷、压电陶瓷、按性能可将陶瓷分为：高强度陶瓷、高温陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、生物陶瓷。磁
3、性陶瓷、半导体陶瓷、生物陶瓷。o 特种陶瓷可按化学组成分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳特种陶瓷可按化学组成分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷（硬质合金）。化物陶瓷、金属陶瓷（硬质合金）。4.1.1 4.1.1 陶瓷材料的分类与生产陶瓷材料的分类与生产o（2 2）陶瓷制品的生产）陶瓷制品的生产o陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制备、成型、烧结。陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制备、成型、烧结。o坯料制备是指：通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时，坯料制备是指：通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和
4、混料均要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团。泥团。o成型是指：将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度成型是指：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）。的制品坯型（亦称生坯）。o烧结是指：生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高温烧结时，烧结是指：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，陶瓷内部会发生一系列物理化学变
5、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。和力学性能。4.1.2 4.1.2 陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点o陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中同时存在晶体相、玻璃相、气相。同时存在晶体相、玻璃相、气相。o各组成相的结构、数量、形态、大小及各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。分布决定了陶瓷的性能。4.1.2 4.1.2 陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点o （1 1）陶瓷材料的结构和性能特点）陶瓷材料的结构和
6、性能特点o陶瓷材料的晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。陶瓷材料的晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键。氧化物结构的结陶瓷中的晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键。氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。合键以离子键为主，又称离子晶体。o硅酸盐结构：陶瓷材料结构很复杂，但基本结构单元为硅酸盐结构：陶瓷材料结构很复杂，但基本结构单元为SiOSiO4 4 硅氧四面体，硅氧四面体，结合键为离子键、共价键的混合键；每个氧原子最多只有被两个结合键为离子键、共价键的混合键；每个氧原子最多只有被两个SiOSiO4 4
7、所所共有；共有；Si-O-SiSi-O-Si的键角为的键角为145;SiO145;SiO4 4 既可孤立存在，亦可通过共用顶点既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高聚物之称。连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高聚物之称。 图图4-1 4-1 陶瓷材料晶相陶瓷材料晶相 图图4-2 SiO44-2 SiO4结构示意图结构示意图 4.1.2 4.1.2 陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点o （2 2）玻璃相）玻璃相o 玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反
8、应形成的液相在冷却凝固时形成质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相，其作用主要的。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相，其作用主要是：将分散的晶相黏结在一起；降低烧结温度；抑制晶相是：将分散的晶相黏结在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大；填充气孔。玻璃相熔点低、热稳定性差，在的晶粒长大；填充气孔。玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制
9、，一般低于玻璃相的数量要予以控制，一般低于2040%。4.1.2 4.1.2 陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点o （3 3）气相）气相o 陶瓷材料的结构气相指陶瓷孔隙中的气孔。是生产陶瓷材料的结构气相指陶瓷孔隙中的气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为510%，要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。气相可使陶瓷的密度击穿强度下降，绝缘性降低。气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动；用作
10、保温的陶瓷和化工用的减小，并能吸收振动；用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达达6060。4.1.2 4.1.2 陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点o （4 4）力学性能）力学性能o 陶瓷材料力学性能体现在硬度高、耐磨性好，维氏硬度值大于陶瓷材料力学性能体现在硬度高、耐磨性好，维氏硬度值大于1500Hv1500Hv（淬火钢（淬火钢500800Hv，高聚物维氏硬度值小于，高聚物维氏硬度值小于20Hv20Hv），抗拉强度低，抗压强度较高；抗拉强度低，抗压强度较高；o 陶瓷材料因表面及内部的气孔、微裂纹等缺陷，实际强度仅为
11、陶瓷材料因表面及内部的气孔、微裂纹等缺陷，实际强度仅为理论强度的理论强度的1/1001/200。但抗压强度高，为抗拉强度的。但抗压强度高，为抗拉强度的1040倍。倍。o 陶瓷材料具有高弹性模量，高脆性特点。弹性模量陶瓷材料具有高弹性模量，高脆性特点。弹性模量E=100400GPa（金属为（金属为210 GPa210 GPa）。陶瓷材料在拉伸时几乎没）。陶瓷材料在拉伸时几乎没有塑性，在拉力作用下产生一定的弹性变形后直接断裂。冲击有塑性，在拉力作用下产生一定的弹性变形后直接断裂。冲击韧性、断裂韧性低：韧性、断裂韧性低：KICKIC约为金属的约为金属的1/601/100。4.1.3 4.1.3 陶瓷
