第十二章 陶瓷材料

第十二章陶瓷材料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。陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称.12.1陶瓷概述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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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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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12.2陶瓷材料的几种典型结构12.3陶瓷的显微结构陶瓷材料的特点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]。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。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12.4陶瓷材料制造工艺一般都要经历三个阶段：坯料制备、成型与烧结。坯料制备：采用天然岩石、矿物、粘土等作为原料时，经过原料粉碎—精选—磨细—配料—脱水—炼坯、陈腐等过程采用高纯度可控的人工合成粉末化合物作原料时，在坯料制备之前如何获得成分、纯度和粒度均达到粉状化合物是坯料制备的关键。成型按坯料的性能分为三类：可塑法、注浆法和压制法烧结烧结方法有：热压或热等静压法;液相烧结法；反应烧结法12.5陶瓷材料的脆性及增韧12.5.1陶瓷材料的脆性脆性是陶瓷材料的特征，在外力作用下，断裂无先兆。直观表现是抗机械冲击性差，抗温度急变性差。脆性的本质与陶瓷材料主要是共价键、离子键有关。陶瓷的理论屈服强度虽然很高，但实际断裂强度都很低，这与陶瓷内存在大量微裂纹，引起应力集中有关。陶瓷的抗压强度为抗拉强度的15倍，因为压缩时，微裂纹或闭合或缓慢扩展。而拉伸时，裂纹达到临界尺寸就将失稳，立即断裂。12.5.2改善陶瓷脆性的途径因为陶瓷材料有很高的脆性,所以不能广泛运用于各个领域.提高了陶瓷的裂韧性,也就提高了陶瓷的抗拉强度.为了提高陶瓷的裂韧性,工程上有三种方法:降低陶瓷的微裂纹尺寸，相变增韧和纤维增韧12.6工程陶瓷材料简介1、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%。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2现代陶瓷材料随着世界范围内电子信息技术的高速发展和新材料技术在更广泛领域的应用，将会为包括现代陶瓷材料在内的新材料提供更多的发展空间。在焊接技术领域中，特殊性能的陶瓷材料起到了关键性的作用。人们开发研制了陶瓷衬垫来应用于环形焊缝的焊接。采用CO2焊和埋弧焊等焊接工艺轻松地实现了单面焊双面成型，提高了焊缝的成型质量，促进了生产效率的提高。现如今陶瓷衬垫不仅大量应用于船舶、桥梁制造业，而且在钢管工程、化工机械、压力容器等行业中也迅速推广。陶瓷材料在工业技术中发挥了巨大的作用功能陶瓷具有电磁、光学、机械、生物及化学等各种卓越功能，广泛应用于传感器、发光材料、光导材料、激光材料、电子元器件，磁记录等信息产业中。国防军工领域中，陶瓷材料发挥了关键作用。生物陶瓷是在人体内化学稳定性好，组织相容性好的一类陶瓷。其抗压强度高，易于高温消毒，是牙、骨、关节等硬组织良好的置换修复材料，但脆性大，成形加工较困难是其主要缺点。先进结构陶瓷材料在航天飞机上有广泛的运用陶瓷材料在环境保护中做出了贡献废气的处理是环保的重要方面，将废气转化为无害的气体需要多孔或蜂窝状的陶瓷作为转化器的载体材料或催化／载体一体化材料。其他各种高温吸附、分离和催化材料等也是由特种陶瓷材料制成的。清洁能源如太阳能、核能、燃料电池等也均离不开无机非金属材料如陶瓷材料。3金属陶瓷金属陶瓷金属的塑性及抗热震性好，但容易氧化，高温强度不高；陶瓷的耐热性及耐蚀性强，但脆性大。金属陶瓷就是将二者结合起来制成的优异新材料。金属陶瓷的陶瓷相是氧化物、碳化物、硼化物、氮化物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。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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氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚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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)。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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⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。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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。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.Si3N4轴承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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。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.常压烧结碳化硅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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SiC陶瓷件国外应用领域目前,国外应用领域主要有：陶瓷被覆电线随着电器设备的发展，对电线的适应要求越来越严格。以往有涂覆有机绝缘材料的电线。但它的耐热性和抗挠强度等都存在局限性。日本新近研制出一种陶瓷被覆电线，其耐热性是原来的2．5倍，既使在500。C以上的高温下使用，也不会产生气体，并可在真空下使用。由于这种陶瓷被覆电线的外径和重量都大幅度减小，因此为机器的小型、轻量化开辟了道路，可广泛用于汽车，原子能及航空航天等领域。陶瓷钻削工具超声波钻配用一种可将切削液供给加工刀具的新装置后，可将高级陶瓷材料进行更快更深的钻削加工。一般超声波钻进陶瓷材料1．6mm后。钻削速度便开始以渐进线形式下降。钻入8．5mm后，钻头便完全停止.美国发明的密封套样陶瓷钻削工具可连续向钻床的金刚石钻头提供浓稠的切削液而不破坏超声波作用.有了这种陶瓷钻削工具，钻床钻通坚硬材料的深度，最大可达到12．7mm。若使用更长的钻头，还可钻得更深些。陶瓷涂料一种具有优异柔性的陶瓷涂料，已由日本研制成功。这种涂料的耐热性。耐蚀性及耐磨性均甚优异。它在400。C的高温下使用也不会劣化，置于2O％的盐酸或硫酸中亦不会发生腐蚀。以往的陶瓷涂料虽也具有极佳的耐蚀性与耐热性，但因涂层较厚，往往由于和金属的热膨胀有差异，从而引起剥落或不能适应金属的振动应变及扭曲。而新陶瓷涂料，能使涂膜迎合金属伸缩的需要。即使涂膜达10o微米以上的厚度也不会剥落。由于涂料中配有硬化剂，故能和普通的涂料一样，采用喷涂，刷涂或滚涂等，经过熔烧，在常温下即可硬化，并且对金属不需作底涂，可直接进行涂装。可广泛地应用到排烟道通风，排烟脱硫装置。热交换器等方面。陶瓷仿生抗裂材料石决明是一种贝壳类药材，具有结构复杂的形式。美国科学家力图模仿石决明的这种本领。设计出一种可接受捶打的人造陶瓷，科学家称这种陶瓷仿生抗裂材料为“陶瓷金属”。试验结果表明，这种陶瓷金属的抗裂强度．比无结构的同种材料一般要大40％。其抗裂原因是由于内部的珠光层是一种层状的砖泥结构。这种微米厚的砖由细小的高质量碳酸钙晶体做成，而其中的灰泥则是石决明自身分泌的一种超级胶水，它是多种有机物的混合体。总结综上所述，近10年来陶瓷材料的应用及发展是十分诱人的，虽然目前陶瓷材料的应用还只是所有可应用环境下极小一部分，但陶瓷作为继金属及高分子材料后最有发展潜力的材料之一，它在各方面的综合性能明显优于现在使用的金属材料及高分子材料。目前尚未推广使用的根本原因是合成的陶瓷材料必须具有极高纯度，这使得它的制造成本、加工成本相对偏高。目前科学界及工业界都在致力于寻找新的低成本陶瓷材料及合成方法。有足够的理由相信，陶瓷材料作为21世纪的一个新的应用材料品种必将显示出重要的应用价值。