陶瓷材料简要介绍(行业一类)
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ⅱ：刚度 是各类材料中最高的。 ⅲ：强度 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。
ⅳ：塑性，在室温几乎没有塑性。 ⅴ：韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。
特制内容
13
2.2 物理及化学性能：
ⅰ.熔点：具有高的熔点，多数在2000℃以上。
§4.2 特种陶瓷
§4.2.1 氧化物陶瓷 §4.2.2 氮化物陶瓷 §4.2.3 碳化物陶瓷
特制内容
23
4.1 普通陶瓷
粘土（Al2O3 ▪ 2SiO2 ▪ H2O）
原材料 长石（K2O▪Al2O3▪6SiO2；Na2O ▪ Al2O3 ▪ 6SiO
性能
石英（SiO2） 坚硬，不氧化、不导电，成型性好 耐1200℃高温，成本低廉。
Ceramic Material
特制内容
1
目录
§1 陶瓷的基本相 §2 陶瓷的基本性能 §3 陶瓷力学性能的检测方法 §4 常见陶瓷 §5 产品分析
特制内容
2
§1 陶瓷的基本相
§1.1 晶相 §1.2 玻璃相 §1.3 气孔
特制内容
3
晶相
气孔
玻璃相
陶瓷基本相
特制内容
4
1.1 晶相
主要组成相，一般由离子键（MgO和Al2O3）或共价键 （SiC、Si3N4）结合而成，其种类、数量、晶粒大小等对陶 瓷的性能起决定性作用。
B4C 4950 CBN 7000
SiC ZrC 2550 2600 AlN MoSi2 1450 1180
16
维氏硬度的测量
将一个相对夹角为136°的正四棱锥金刚石压头在一定
的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测
定压痕两对角线的长度并取其平均值（d）计算压痕的实际
面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV表示。
不同截面大小陶瓷的强度值：MPa
块状
纤维
晶须
Al2O3
280
2100
21000
特制内容
11
§2 陶瓷的基本性能
§2.1 §2.2
力学性能 物理及化学性能
特制内容
12
2.1 力学性能:
ⅰ：硬度 是各类材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在
1500HV以上。 （淬火钢：500-800HV）, 陶瓷作为新型的刃具 和耐磨零件。
特制内容
5
a.晶相种类及含量对陶瓷强度的影响：
晶相种类及含量对陶瓷抗折强度的影响
瓷质 主晶相及含量 抗折强度/MPa
长石质瓷
莫来石 20～30%
80
强化长石质瓷
莫来石、刚玉 40～60%
100
刚玉瓷 刚玉 >90% 500
特制内容
6
b.晶粒大小对陶瓷强度的影响：
强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系式：
特制内容
9
1.3 气相：
气孔的影响：
i：有害的影响：降低强度。 ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤 的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。
特制内容
10
高强度陶瓷的组织要求：
晶粒尺寸小，晶体缺陷少
高强度陶瓷
晶粒尺寸均匀，等轴 晶界相含量适中，减少脆性玻璃相 减少气孔率
均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度 越高。
ⅱ.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6／Ｋ，结构
紧密，膨胀系数小。
ⅲ.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力；
陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。
ⅳ.高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化；
对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。
特制内容
14
§3 陶瓷力学性能的检测方法
§3.1 §3.2 §3.3
b ＝ o ＋kd-1/2
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。
从上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利 无害。
特制内容
7
如刚玉陶瓷的晶粒尺寸大小对其抗折强度的影响。 刚玉陶瓷的晶粒尺寸与抗折强度
晶粒直 193.2 90.5 54.3 25.1 11.5 8.7 6.7 1.8 径/um
抗折强 度/Mpa
75.2 140.3 203.8 311.1 431.1 483.6 484.8 581
特制内容
8
1.2 玻璃相
非晶态固体，陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列 物理化学反应后，形成液相，冷却凝固而成。
粘结晶相
玻璃相作用
降低烧结温度 抑制晶粒长大
填充气孔
缺点：熔点低，热稳定性差，在较低温度下开始软化.
硬度 弯曲强度 断裂韧性
特制内容
15
3.1 硬度
硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采 用的是维氏硬度与莫氏硬度。
典型结构陶瓷材料维氏硬度
材料 Al2O3 硬度 (HV) 2000
材料 TiC
硬度 (HV)
3200
MgO ZrO2 BeO 1220 1700 1520WC 金刚石 Si3N4 2400 10000特制内容1700
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特制内容
19
3.3 断裂韧性
应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材 料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，常用的方法有 单边切口梁法、压痕法、双扭法和双悬臂梁法。本节只简要介 绍压痕法测定方法。
特制内容
20
压痕法
用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕 对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂 纹长度的关系，求得KIc值。
经几何换算后得到：
P HV 0.1891•
d2
HV - 维氏硬度符号； P -试验力，N； d- 压痕两对角线特制d内1容、d2的算术平均值，mm 17
莫氏硬度：是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试
样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬
度的顺序表示的值。
莫氏硬度表
分级
代表材料
分级
代表材料 分级 代表材料
1
滑石
2
4
萤石
5
7
石英玻璃
8
石膏 磷灰石 石英
3
方解石
6
正长石
9
黄玉
10
石榴石
11
熔融氧化铝 12
刚玉
13
碳化硅
14
碳化硼
15
金刚石
特制内容
18
3.2 弯曲强度
弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种
3P L 2b h2
(MPa)
式中σ为抗弯强度(MPa)， P为加载载荷(N)，L为支点跨距（mm)， b为试样断口处宽度(mm)， 三点弯曲强度测试示意图 h为试样断口处高度(mm)。
P＜PC（左）和P＞PC（右）时压痕
（以PC作为可是压痕特产制内生容裂纹的临界负荷）
21
压痕法
K IC
1
Ha 2
H
E
2
5
0.055
• lg8.4 a c
KIC是断裂韧性 φ为一常数，约等于3 HV是维氏硬度 a为压痕对角线长度的一半 c为表面裂纹长度的一半
特制内容
22
§4 常见陶瓷
§4.1 普通陶瓷
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。
ⅳ：塑性，在室温几乎没有塑性。 ⅴ：韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。
特制内容
13
2.2 物理及化学性能：
ⅰ.熔点：具有高的熔点，多数在2000℃以上。
§4.2 特种陶瓷
§4.2.1 氧化物陶瓷 §4.2.2 氮化物陶瓷 §4.2.3 碳化物陶瓷
特制内容
23
4.1 普通陶瓷
粘土（Al2O3 ▪ 2SiO2 ▪ H2O）
原材料 长石（K2O▪Al2O3▪6SiO2；Na2O ▪ Al2O3 ▪ 6SiO
性能
石英（SiO2） 坚硬，不氧化、不导电，成型性好 耐1200℃高温，成本低廉。
Ceramic Material
特制内容
1
目录
§1 陶瓷的基本相 §2 陶瓷的基本性能 §3 陶瓷力学性能的检测方法 §4 常见陶瓷 §5 产品分析
特制内容
2
§1 陶瓷的基本相
§1.1 晶相 §1.2 玻璃相 §1.3 气孔
特制内容
3
晶相
气孔
玻璃相
陶瓷基本相
特制内容
4
1.1 晶相
主要组成相，一般由离子键（MgO和Al2O3）或共价键 （SiC、Si3N4）结合而成，其种类、数量、晶粒大小等对陶 瓷的性能起决定性作用。
B4C 4950 CBN 7000
SiC ZrC 2550 2600 AlN MoSi2 1450 1180
16
维氏硬度的测量
将一个相对夹角为136°的正四棱锥金刚石压头在一定
的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测
定压痕两对角线的长度并取其平均值（d）计算压痕的实际
面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV表示。
不同截面大小陶瓷的强度值：MPa
块状
纤维
晶须
Al2O3
280
2100
21000
特制内容
11
§2 陶瓷的基本性能
§2.1 §2.2
力学性能 物理及化学性能
特制内容
12
2.1 力学性能:
ⅰ：硬度 是各类材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在
1500HV以上。 （淬火钢：500-800HV）, 陶瓷作为新型的刃具 和耐磨零件。
特制内容
5
a.晶相种类及含量对陶瓷强度的影响：
晶相种类及含量对陶瓷抗折强度的影响
瓷质 主晶相及含量 抗折强度/MPa
长石质瓷
莫来石 20～30%
80
强化长石质瓷
莫来石、刚玉 40～60%
100
刚玉瓷 刚玉 >90% 500
特制内容
6
b.晶粒大小对陶瓷强度的影响：
强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系式：
特制内容
9
1.3 气相：
气孔的影响：
i：有害的影响：降低强度。 ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤 的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。
特制内容
10
高强度陶瓷的组织要求：
晶粒尺寸小，晶体缺陷少
高强度陶瓷
晶粒尺寸均匀，等轴 晶界相含量适中，减少脆性玻璃相 减少气孔率
均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度 越高。
ⅱ.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6／Ｋ，结构
紧密，膨胀系数小。
ⅲ.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力；
陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。
ⅳ.高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化；
对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。
特制内容
14
§3 陶瓷力学性能的检测方法
§3.1 §3.2 §3.3
b ＝ o ＋kd-1/2
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。
从上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利 无害。
特制内容
7
如刚玉陶瓷的晶粒尺寸大小对其抗折强度的影响。 刚玉陶瓷的晶粒尺寸与抗折强度
晶粒直 193.2 90.5 54.3 25.1 11.5 8.7 6.7 1.8 径/um
抗折强 度/Mpa
75.2 140.3 203.8 311.1 431.1 483.6 484.8 581
特制内容
8
1.2 玻璃相
非晶态固体，陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列 物理化学反应后，形成液相，冷却凝固而成。
粘结晶相
玻璃相作用
降低烧结温度 抑制晶粒长大
填充气孔
缺点：熔点低，热稳定性差，在较低温度下开始软化.
硬度 弯曲强度 断裂韧性
特制内容
15
3.1 硬度
硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采 用的是维氏硬度与莫氏硬度。
典型结构陶瓷材料维氏硬度
材料 Al2O3 硬度 (HV) 2000
材料 TiC
硬度 (HV)
3200
MgO ZrO2 BeO 1220 1700 1520WC 金刚石 Si3N4 2400 10000特制内容1700
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特制内容
19
3.3 断裂韧性
应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材 料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，常用的方法有 单边切口梁法、压痕法、双扭法和双悬臂梁法。本节只简要介 绍压痕法测定方法。
特制内容
20
压痕法
用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕 对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂 纹长度的关系，求得KIc值。
经几何换算后得到：
P HV 0.1891•
d2
HV - 维氏硬度符号； P -试验力，N； d- 压痕两对角线特制d内1容、d2的算术平均值，mm 17
莫氏硬度：是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试
样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬
度的顺序表示的值。
莫氏硬度表
分级
代表材料
分级
代表材料 分级 代表材料
1
滑石
2
4
萤石
5
7
石英玻璃
8
石膏 磷灰石 石英
3
方解石
6
正长石
9
黄玉
10
石榴石
11
熔融氧化铝 12
刚玉
13
碳化硅
14
碳化硼
15
金刚石
特制内容
18
3.2 弯曲强度
弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种
3P L 2b h2
(MPa)
式中σ为抗弯强度(MPa)， P为加载载荷(N)，L为支点跨距（mm)， b为试样断口处宽度(mm)， 三点弯曲强度测试示意图 h为试样断口处高度(mm)。
P＜PC（左）和P＞PC（右）时压痕
（以PC作为可是压痕特产制内生容裂纹的临界负荷）
21
压痕法
K IC
1
Ha 2
H
E
2
5
0.055
• lg8.4 a c
KIC是断裂韧性 φ为一常数，约等于3 HV是维氏硬度 a为压痕对角线长度的一半 c为表面裂纹长度的一半
特制内容
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§4 常见陶瓷
§4.1 普通陶瓷