材料设计与工艺 第四章玻璃与陶瓷

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1、第四章第四章 陶瓷与玻璃陶瓷与玻璃4.1 陶瓷概述陶瓷概述 8千年到千年到1万年的使用历史万年的使用历史 黏土其它天然矿物原料（或碳化物、氮化物、硼化物、金属化合物等）粉碎混炼成型煅烧。 黏土是由地壳中蕴藏丰富的长石长期风化而成。水流经岩石将其侵蚀，溶解了可溶性原料，沉积为矿层。 黏土可分为两种类型：原生黏土和沉积黏土（或称次生黏土、二次黏土）。4.1.1 陶瓷的发展历史陶瓷的发展历史（1）古代陶瓷技术发展简史 泥条盘筑泥条盘筑轮制成形轮制成形窑烧窑烧（2）中国陶器发展历史宋代瓷器空前发展时期 瓷窑迭出，瓷器品种繁多，如青、白瓷清代达到鼎盛，历史上最高水平清 雍正斗彩雍正斗彩海水江山团花天海水

2、江山团花天球瓶球瓶故宫博物院南宋 青釉凤耳瓶青釉凤耳瓶龙泉窑龙泉窑 故宫博物院大汶口红陶兽形器红陶兽形器山东省博物管 如来佛祖像80年代 德化与景德镇瓷器比，同样是白色，福建德化出产的白瓷瓷化程度很高，极其致密，被称为“象牙白”、“猪油白”， “鹅绒白” 中国五大名瓷之一中国五大名瓷之一钧瓷钧瓷河南河南 汝州汝州普通陶瓷普通陶瓷（传统）（传统）特种陶瓷特种陶瓷（近代）（近代）日用陶瓷日用陶瓷建筑陶瓷建筑陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷化工陶瓷化工陶瓷高强度陶瓷高强度陶瓷高温陶瓷高温陶瓷压电陶瓷压电陶瓷光学陶瓷光学陶瓷半导体陶瓷半导体陶瓷生物陶瓷生物陶瓷按性能分按性能分按化学成分按化学成分氧化物陶瓷氧化物陶

3、瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷碳化物陶瓷金属陶瓷金属陶瓷陶瓷陶瓷4.1.2 陶瓷的分类陶瓷的分类 （1 1）普通陶瓷）普通陶瓷 是以天然粘土等材料成形、烧结而成，主要用来是以天然粘土等材料成形、烧结而成，主要用来制造日常用品。制造日常用品。水龙头所用的陶瓷零部件水龙头所用的陶瓷零部件 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 主成分主成分AlAl2 2O O3 3(Al(Al2 2O O3 3含量越高，性能越好含量越高，性能越好) )硬度高且热硬性好：硬度高且热硬性好：刀具材料、模具材料。刀具材料、模具材料。高电绝缘性：高电绝缘性：内燃机火花塞等电绝缘材料。内燃机火花塞等电绝缘材料。高耐蚀

4、性：高耐蚀性：耐酸、碱及熔融金属、玻璃，耐酸、碱及熔融金属、玻璃， 化工用泵、阀门等耐蚀材料。化工用泵、阀门等耐蚀材料。耐热：耐热：高温器皿、炉件等高温结构材料高温器皿、炉件等高温结构材料 其他：其他：ZrOZrO2 2、MgO MgO 、CaO CaO 、 BeOBeO等。等。 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 碳化硅：碳化硅： 高温强度大（高温强度大（1400 5001400 500600MPa600MPa）；）； 高温结构件（炉管、火箭尾管喷嘴）。高温结构件（炉管、火箭尾管喷嘴）。 氮化硅：氮化硅： 高化学稳定性；高化学稳定性； 耐蚀、耐磨材料（赛隆刀具）。耐蚀、耐磨材料（赛隆刀具）。 氮化硼：

5、氮化硼： 耐热、绝缘性好；耐热、绝缘性好； 高温结构元件及刀具等。高温结构元件及刀具等。 取金属及陶瓷优点复合而成。取金属及陶瓷优点复合而成。 构成方式：构成方式： 陶瓷相陶瓷相( (氧化物、碳化物氧化物、碳化物) )为主体、骨架；为主体、骨架； 金属相金属相(Co(Co、NiNi等等) )起粘结作用。起粘结作用。 材料类型：材料类型： 工具材料工具材料( (陶瓷为主陶瓷为主) )；结构材料；结构材料( (金属相数量增加金属相数量增加) )。 性能：性能：韧性较好韧性较好(Cr(Cr的存在的存在) )，热稳定性及抗氧化性好，热稳定性及抗氧化性好(Cr(Cr2 2O O3 3) )。应用：应用：

6、工具材料，热硬性工具材料，热硬性12001200、硬材料加工、硬材料加工 ( (65HRC)65HRC)、高速切削；模具等。、高速切削；模具等。 组成：组成：碳化物（碳化物（ WCWC、TiCTiC等）等）+ + 铁族元素铁族元素 （CoCo、NiNi）。）。 特性：特性：碳化物的高硬度、高温强度碳化物的高硬度、高温强度+ +金属的塑金属的塑 性、韧性性、韧性工具材料及耐热结构材料。工具材料及耐热结构材料。 硬质合金：硬质合金：刀具、模具（拉丝模等）；钨钴类刀具、模具（拉丝模等）；钨钴类 YG(WC+Co)YG(WC+Co)、钨钴钛、钨钴钛YT(WCYT(WC、TiC+Co)TiC+Co) 及

7、万能类及万能类YWYW（WCWC、TiCTiC、TaC+Co) TaC+Co) 。 纲结硬质合金：纲结硬质合金：（30%30%50%50%碳化物合金钢粘结）碳化物合金钢粘结）, ,可可 热处理，可加工。韧性热处理，可加工。韧性,bbbb。用。用 作模具、耐磨零件。作模具、耐磨零件。人工化合物人工化合物Si3N4六方晶系制成的六方晶系制成的陶瓷，可制造纤陶瓷，可制造纤维活塞、气门、维活塞、气门、摇臂等耐高温摩摇臂等耐高温摩擦的燃烧室零件擦的燃烧室零件日本日野公司已开发出陶瓷绝热发动机，日本日野公司已开发出陶瓷绝热发动机，大大提高了发动机的热效率大大提高了发动机的热效率刀具表面刀具表面CVD沉积陶

8、瓷层沉积陶瓷层硬质合金表面的陶瓷涂层硬质合金表面的陶瓷涂层(增加表面耐磨性增加表面耐磨性)陶瓷涂层切削刀具及钻头陶瓷涂层切削刀具及钻头涡轮发动机叶片及发动机体的陶瓷热障涂层陶瓷热障涂层（a）涡轮盘；（）涡轮盘；（b）涡轮球壳）涡轮球壳4.2 陶瓷材料的基本性能陶瓷材料的基本性能（1）光学性能）光学性能白度对白光的反射能力（以硫酸钡作为白度100的样片比较）透光度允许可见光透过的程度光泽度对可见光的反射能力（2）力学性质）力学性质高硬度、高脆性氧化锆陶瓷具有高的韧性（3）热稳定性）热稳定性 测试方法将陶瓷放在电炉内升温，从100起，每隔20取出试样放入20的水中急冷，如此反复，直至陶瓷出现裂纹为

9、止（4）化学性质）化学性质 良好的耐酸性，但抵抗碱的侵蚀能力较差（5）气孔率和吸水率）气孔率和吸水率（6）陶瓷的特性）陶瓷的特性 与金属材料相比：硬度高、弹性模量大、脆、几乎无塑性、抗拉强度低、抗压强度高、熔点高、抗蠕变能力强、承受温度快速变化能力差、大多数陶瓷是电绝缘材料4.3 陶瓷的加工工艺陶瓷的加工工艺4.3.1 原料配制原料配制 （1）可塑性可塑性具有一定细度和分散性的黏土或配合料，加适量水调和均匀，加工制成为一定的塑性泥料，在外力作用下能塑造成任意形状，在外力解除后仍能保持原形不变，这种性能称为可塑性练泥是制作陶瓷作品的第一步，可以大大增加黏土的可塑性 影响粘土可塑性的要素影响粘土可

10、塑性的要素 粘土的颗粒大小、石英等非粘性料物质的多少、粘土的颗粒大小、石英等非粘性料物质的多少、水的含量；水的含量； 粘土的颗粒越细，相对来说比表面积越大，可塑粘土的颗粒越细，相对来说比表面积越大，可塑性越好；性越好； 粘土中所含蒙脱石或水铝硅酸盐的量越多，可塑粘土中所含蒙脱石或水铝硅酸盐的量越多，可塑性越好；性越好； 与水配合的比例越恰当，产生的粘性越好如果与水配合的比例越恰当，产生的粘性越好如果太湿，会变成泥浆，无法成型；如果太干，容易太湿，会变成泥浆，无法成型；如果太干，容易开裂，无可塑性。开裂，无可塑性。（2）结合性）结合性当粘土和水制成的塑性软泥干燥后，能保持原先所赋予的形状而不散开

11、的性能称为结合性 粘土的结合性表现为具有结合一定量的非粘性物质的能力，能形成较好的塑性泥团，干燥后能形成比较坚实的坯体。 粘土的结合性和粘土的可塑性是两个概念，结合性好的粘土一般可塑性也好，但也有例外。粘土的结合性在很大程度上由粘土的矿物结构所决定。4.3.2 成型成型（1）可塑成型）可塑成型利用泥料的可塑性，日用陶瓷可塑成型的基本方法有：拉坯、印坯、旋坯、滚压、挤压等旋坯成型 挤压成型拉坯成型手工拉坯，在旋转的轱辘上进行制作 雕塑与印坯最古老的成型方法，靠手工和简单的工具制作，通过刻、划、镂、雕、堆塑 用于制作人物、鸟兽、花卉、景物等艺术作品（2）注浆成型）注浆成型所用模型：具有多孔性、吸水