陶瓷材料培训(布谷鸟声学)

陶瓷材料——RyanLee20131023第一部分陶瓷基础知识1.陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)强度理论强度很高，耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(3)塑性，在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。(4)热膨胀性低，导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(5)热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）(6)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(7)导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）2陶瓷的制备2.1陶瓷原料的种类与性质①粘土与高岭土粘土：主要成分是微细铝硅酸质，如砖瓦用泥土高岭土:以高岭土矿为主要成分，它分为残留高岭土和沉积高岭土。这两种原料的主要成分为SiO246.54%,Al2O339.50%,H2O13.96%。②蜡石它是一种硬质粘土，以叶蜡石为主要成分的铝硅酸盐，主要成分为SiO266.70%，Al2O328.30%，H2O5%。③膨润土膨润土主要是由蒙脱石构成的粘土，它的化学式为：Al2O3.4SiO2.H2O，这种原料最突出的特点是有膨润性，它在瓷器生产中主要用作增塑剂。④瓷石瓷石是一种由石英、绢云母组成，并含有若干高岭土。长石等岩石状矿物，它不是单一的矿物岩石，而是多种矿物集合体。⑤滑石滑石与叶蜡石有相同的晶体结构，其化学式为：3Al2O3.4SiO2.H2O，在瓷中加入少量的滑石可以提高其透明度和白度，并增加瓷中玻璃相的含量，提高致密度，扩大烧结范围。⑥二氧化硅原料二氧化硅原料一般为石英，纯的石英透明，称为水晶。石英之间存在结晶形态的转化，如下：⑦溶剂原料在陶瓷工业中为了降低烧结物的温度而加入的原料，重要有以下两种：（1）长石类：钾长石或正长石（K2O.Al2O3.6SiO2)、钠长石（Na2O.Al2O3.6SiO2)、钙长石（CaO.Al2O3.2SiO2)等。（2）含锂矿类：主要有锂云母、磷铝石、锂辉石及叶长石。⑧其他陶瓷原料高铝质原料、碳酸钡、石灰石、白云石等。2.2陶瓷原料的加工陶瓷原料的加工就是将原料先煅烧，然后粉碎，从粉碎效率上来看，一般是先经过粗碎，再中碎，最后细碎，让原料颗粒达到200目～250目。将所粉碎的粉料经和水混合和捏练，就可以得到所需要的坯泥。2.3陶瓷胚体成型当坯泥混合好后，将其均匀的填充到模型中。目是指每平方英吋筛网上的空眼数目，50目就是指每平方英吋上的孔眼是50个，500目就是500个，目数越高，孔眼越多，能够通过筛网的粒子的粒径越小。1.注浆体成型法这种成型方法是将坯料泥浆注入石膏模内，石膏将水中所悬浮的粘土与水一起吸引到模的表面，水被石膏吸收后就形成与模型一样形状的坯料。2.可塑性成型法可塑性成型就是采用具有捏练状态的湿坯泥成型的方法。其成型方法有：挤出成型，热压成型，湿式及半湿式成型等。3.加压成型法将粒料和粉料加压变形而固结成型，它粉压法和干压法。4.等静压成型法等静压成型法与干压成型法相似，它是在模行各个面都施加均匀的压力。它的主要特点是模具具有弹性，运用模具可以均匀的传递压力的特点对其施压。2.4陶瓷的烧制烧制（烧成）：它是将粉末做成的坯体，利用热的作用使之硬固。烧结机理：颗粒在接触点处的离子因热的振动而扩散，如两物质(A＋B－)与(C＋D－)混合加热时，当到达某温度时，则彼此的离于在颗粒表面扩散而发生如下反应：(A＋B－)+(C＋D－)→(A＋C＋）＋（B－D－）颗粒接触点愈多(亦即颗粒微细)，填充愈致密时，反应愈快。固相烧结：将Al2O3粉加压成型，烧成后不生成玻璃相而固结。液相烧结：将Al2O3粉加压成型，烧成后瓷器坯体产生玻璃相而固结。影响烧成的因素①化学组成与矿物成分。②粒度分布。粒度越细，烧结效果越好。③填充密度及体积密度。④烧成温度与时间，温度越高，时间越短，但不成比例变化。⑤冷却速度。冷却速度影响产品的质量，如变形、开裂等⑥烧成中的气氛，指气体的性质（氧化、还原、中性），如含氧化铁的坯体，适宜于在还原性气氛中烧结。3.陶瓷的分类※玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃※陶瓷—普通陶瓷--日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷--电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…3.1普通陶瓷原料—长石，石英，粘土，高岭土，绢云母，滑石，石灰。加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3，ZrO2等）提高强度和热稳定性；加入（SiC等）提高导热性。①日用陶瓷性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性用途：日用器皿，工艺品艺术品等②建筑陶瓷性能要求：强度，热稳定性用途：地面，墙壁，管道，卫生洁具等.③电工陶瓷（高压瓷）性能要求：强度，介电性能和热稳定性.用途：隔电，支持及连接，绝缘器件④化工陶瓷性能要求：耐蚀性.用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。3.2特种陶瓷3.2.1氧化物陶瓷氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金属与非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型（A、B表示阳离子）。工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过2000ºC，应用最多是：SiO2,Al2O3,ZrO2,MgO,CaO,BeO,ThO2和UO2等，以及一些氧化物之间的化合物如3Al2O3•2SiO2（莫来石），MgO•Al2O3(尖晶石）等。各种氧化物的结构及特点结构类型氧离子排列方式阳离子填充方式结构名称举例AO面心立方全部八面体间隙岩盐MgO，CaO等面心立方½四面体间隙闪锌矿BeO面心立方½四面体间隙纤维锌矿ZnOAO2简单立方½立方体间隙萤石ZrO2等面心立方全部四面体间隙反萤石Na2O，K2O畸变面心立方½八面体间隙金红石TiO2，MnO2A2O3密排六方2/3八面体间隙刚玉Al2O3，Fe2O3ABO3密排六方2/3八面体间隙(A,B)铁钛矿FeTiO3面心立方1/4八面体间隙钙钛矿CaTiO3，BaTiO3AB2O4面心立方1/8四面体（A）½八面体间隙（B）尖晶石FeAl2O4面心立方1/8四面体（A）1/8八面体间隙（A，B）反尖晶石FeMgFeO4密排六方½八面体（A）1/8四面体间隙（B）橄榄石Mg2SiO4尖晶石透明陶瓷刚玉陶瓷光学石英玻璃（1）SiO2(二氧化硅）•丰度（各元素在地壳中平均含量的百分数）为60%；•含SiO2的矿物很多，大部分以硅酸盐矿物形成岩石，例如，在岩浆岩中以矿物形式出现的脉石英（SiO299%)，在沉积岩中的石英砂岩（SiO2=90~95%)，地面风化后有石英砂；•水晶（最纯）、鹅卵石（最不纯）；•SiO2在常压下有七种结晶态和一个玻璃态：α-石英（三方晶系）、β-石英（六方）、α-鳞石英（斜方）、β-鳞石英（六方）、γ-鳞石英（六方）、α-方石英（四方）、β-方石英（等轴）及石英玻璃（非晶态）。光学石英玻璃（2）Al2O3(刚玉)陶瓷•Al2O3陶瓷通常称刚玉瓷，与天然矿物刚玉同名，天然刚玉是一种纯氧化铝矿物；•工业生产的刚玉主要成分是Al2O3和SiO2，Al2O3含量越高，Al2O3陶瓷性能越好；•刚玉瓷这一名词只限于氧化铝含量为95%以上的，主晶相为刚玉的陶瓷材料，工业上大量生产氧化铝含量为95%的刚玉瓷（简称95瓷），也生产97%、99%的刚玉瓷；•刚玉瓷具有较高的室温和高温机械强度、很好的绝热性能、高化学稳定性、良好的介电性能、高硬度、高耐磨性；•用途：1.高温热电偶套管、坩埚、电子陶瓷材料的热压烧结模具、高温炉衬、内燃机火花塞、航空火花塞；2.化工高压机械泵零件、理化器皿，酸、碱都不与其发生化学作用；3.电绝缘、无线电、电真空等技术中使用的陶瓷元件，如雷达天线罩、微波电介质、超高频大功率电子管的支架、集成电路的构件等；4.高速切削工具、轴承、磨料磨具等；致密的刚玉可用作电真空陶瓷；氧化铝透明陶瓷高压钠灯的灯管、红外光管的窗口等；多孔（氧孔率达90%）的氧化铝陶瓷在1700~1750ºC温度范围内的优良绝热材料；刚玉瓷作为很前途的生物陶瓷材料，已被制成骨移植器件，人工关节，应用于临床医学；等等。其它用途：刚玉陶瓷缺点是脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。羟基磷灰石（HA）是一种活性陶瓷材料,由于其成份接近生物机体骨骼的无机成份、能诱发新骨生长、具有良好的生物相容性和生物活性等特点,作为替代材料已广泛应用于人体硬组织的修复。（3）ZrO2陶瓷•ZrO2陶瓷熔点高（2667ºC，在单一的纯氧化物中仅次于ThO2-3330ºC、MgO-2800ºC、HfO2-2770ºC），导热系数小；•自然界中分布最广的二氧化锆是天然矿物斜锆矿，一般含80%~90%，质量最好的可达96%~99%；•另一种分布较广的是锆英石（ZrSiO4），ZrO2–67.03%、SiO2-32.97%；•ZrO2有三种晶型：立方结构、四方结构、单斜结构。三者可以相互转化。立方四方单斜1200ºC1000ºC2300ºC2300ºC部分稳定氧化锆的断裂韧性远高于其他结构陶瓷，并由此获得了“陶瓷钢”的称誉，也常用这类材料去增韧其他陶瓷材料即氧化锆增韧陶瓷（ZTC）；•氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPa·m1/2，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍；•应用：可代替金属制造模具、拉丝模、泵叶轮，还可制造汽车零件。•MgO陶瓷，熔点高、呈碱性，可以制作坩埚，炉衬，高温装置•BeO陶瓷，导热性好，具有高的热稳定性，强度较差，用于制造熔化某些纯金属的坩埚，还可用作真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷；•ThO2、UO2陶瓷，具有很高的熔点、高的密度，并具有放射性，主要用于制造熔化铑、铂、银和其他金属的坩埚、电炉构件、动力反应堆中的放热元件等；•莫来石，是Al2O3-SiO2系中唯一稳定的二元化合物，其组成可在3Al2O3•2SiO2到2Al2O3•SiO2之间变化，3Al2O3•2SiO2为化学计量莫来石：1.结构空隙大、比较疏松，具有较低的热膨胀系数、低的热导率和热容，弹性模量也较低，因而具有良好的绝热、抗震和耐腐蚀性；2.具有较低的蠕变性（指材料受不变的拉力下,长度不断伸长的现象。蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降）；3.大多数结构陶瓷其强度随温度上升均有不同程度的退化，而莫来石在一定组成和温度内不仅不下降反而有一定的起跳。（4）其它氧化陶瓷常见氧化物陶瓷的基本性能3.2.2非氧化物陶瓷氮化物陶瓷（1）氮化硅陶瓷它是以Si3N4为主要成分的陶瓷，按其制造工艺不同可分为热压烧结氮化硅（β-Si3N4）陶瓷和反应烧结氮化硅（α-Si3N4）陶瓷。热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷有20%～30%气孔，特点：氮化硅陶瓷硬度高，摩擦因子小，只有0.1～0.2，具有自润滑性；蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能在陶瓷中最佳，比Al2O3瓷高2～3倍；化学稳定性好，抗氢氟酸以外的各种无机酸和碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀；同时具有优异的电绝缘性能。应用：反应烧结氮化硅陶瓷主要用于制作形状复杂、尺寸精度高、耐热、抗蚀、耐磨、绝缘制品。热压烧结氮化硅陶瓷只用于制作形状简单的耐磨、耐高温零件。（2）氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷的主要晶相是BN，属于共价晶体，其晶体结构与石墨相仿为六方晶格，因而有白石墨之称；高温（1500∼2000ºC）、高压（6∼9×103MPa）下，六方BN可转化为立方BN，