第七章 精细陶瓷

(t相)及单斜结构(m相)。根据所含相的成分不同， Zr02陶瓷可分为稳定Zr02陶瓷材料、部分稳定Zr02 陶瓷。 稳定Zr02陶瓷主要由立方相组成，其耐火度高、比 热与导热系数小，是理想的高温隔热材料，可以用 做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层。
二、精细陶瓷成型方法
（1）粉料成型法：包括钢模压制。
（2）浆料成型方法： （3）可塑成型方法：
（4）注射成型方法：
三、精细陶瓷的烧结方法
烧结的实质是粉末坯块在适当环境或气氛中受热，



通过一系列物理、化学变化，使粉末颗粒间的粘结 发生质的变化，坯块强度和密度迅速增加，其它物 理、力学性能也得到明显的改善。精细陶瓷常用的 烧结方法如下： 1.普通烧结 2.热压烧结 3.其它烧结方法 电场烧结 超高压烧结 活化烧结 反应烧结 自 蔓延高温合成（SHS）致密化
第三节精细陶瓷的性能和应用
一、高温结构陶瓷
常用的高温结构陶瓷有：
①高熔点氧化物，Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它


们的熔点一般都在2000℃以上； ②碳化物，如SiC、WC、TiC、NbC、TaC、B4C、ZrC 等； ③硼化物，如HfB2、ZrB2等，硼化物具有很强的抗 氧化能力； ④氮化物，如Si3N4、BN、AlN、ZrN、HfN等，氮化 物常具有很高的硬度； ⑤硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高温使用中由于制 品表面生成硅酸盐保护膜，所以抗氧化能力强。
3、高熔点氧化物陶瓷
高 熔 点 氧 化 物 陶 瓷 通 常 是 指 熔 点 超 过 SiO2 熔 点
（ 1728℃）的氧化物，大致有 60多种，其中最常用 的有Al2O3、ZrO2、MgO、BeO、CaO和SiO2等六种。这 些氧化物在高温下具有优良的力学性能，耐化学腐 蚀，特别是具有优良的抗氧化性，好的电绝缘性， 所以得到广泛的应用。
功能陶瓷以电、磁、光、热和力学等性能及其相互 转换为主要特征，在通信电子、自动控制、集成电 路、计算机、信息处理等方面的应用日益普及。大 致包括： (1)导电陶瓷 (2)介电陶瓷 (3)压电陶瓷 (4)半导体陶瓷
根据精细陶瓷的特征和用途，可将其分为三类： （1）电子陶瓷
主要应用于制作集成电路基片、 传感器、光导纤维、热敏电阻及其磁芯、磁头、磁 带等磁性体。 （2）工程陶瓷 主要应用于切削工具、各种轴承 及各种发电机。如碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化 铝陶瓷等。 （3）生物陶瓷 主要应用于制作人工骨骼，人工 牙根及人工关节、固定催化剂载体等，如氧化铝陶 瓷、磷灰石陶瓷。
六方BN具有自润滑性，可用于机械密封、高温固体
润滑剂，还可用作金属和陶瓷的填料制成轴承。其 耐热性非常好，可以在900℃以下的氧化气氛中和 2800℃以下的氮气和惰性气氛中使用。 六方BN对酸碱和玻璃熔渣有良好的耐侵蚀性，对大 多数熔融金属既不润湿也不发生反应，因此可以用 作熔炼有色金属、贵金属和稀有金属的坩锅、器皿 等部件。 BN既是热的良导体，又是电的绝缘体。它的击穿电 压是氧化铝的4- 5倍，介电常数是氧化铝的1/2， 可用来做超高压电线的绝缘材料。
化物陶瓷还具有较高的硬度。碳化硼硬度仅次于金 刚石与BN，属于最硬的材料，碳化物陶瓷还具有良 好的导电性、导热性及化学稳定性。鉴于以上各种 独特的优良性能，碳化物陶瓷作为耐热、超硬、耐 磨、耐腐蚀材料，在尖端科学及工业领域应用前途 非常广阔。
典型碳化物陶瓷材料一有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)
高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99．9%以上的
陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650—1990℃，
透射波长为1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代
铂坩埚：利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作
钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高 频绝缘材料。
Zr02有二种锆同素异形体立方结构(c相)、四方结构
AIN属于共价键化合物，六方晶系，白色或灰白色，
在2200℃- 2250℃升华分解，热硬度很高，即使在 分解温度前也不软化变形。 AlN对Al和其它熔融金属、砷化稼等具有良好的耐 蚀性，尤其对熔融Al液具有极好的耐侵蚀性，用作 熔融金属用坩锅、热电偶保护管、真空蒸镀用容器， 也可用作耐热砖等，特别适用于作为2000℃左右氧 化性电炉的炉衬材料; AlN的导热率是A1203的2-3倍，热压时强度比Al203还 高可用于高强度、高导热的场合，例如大规模集成 电路的基板等。 但AlN的高温抗氧化性差，在大气中易吸潮、水 解。
一、精细陶瓷的粉体制备
精细陶瓷的粉体制备方法一般可分为机械法和合成 法两种； 1.机械法 采用机械粉碎方式将机械能转化为颗粒 的表面能，使粗颗粒破碎为细粉； 2.合成法 是由离子、原子、分子通过反应、成核 和成长、收集、后处理等手段获得微细粉末。这种 方法的特点是纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒细 微，并可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。 化学合成法包括固相法、液相法和气相法三种。
二、研究精细陶瓷的意义及方法
研究的主要任务是：研究和提高现有材料的性能；
发掘材料的新性能；探索和开发新材料；研究和发 展材料制备技术与加工工艺。 方法：冶金学、物理学、化学和数学等学科的相互 交叉渗透。
第二节 精细陶瓷的制备工艺
与金属材料相比，精细陶瓷具有硬度大，耐磨性好，
耐热及耐腐蚀性等优异特点，但性脆，耐冲击强度 低，故精细陶瓷的加工性能较差，加工难度较大。 精细陶瓷的制造工艺大致如下： 原料粉末调整 成型 烧结 加工 成品 一般首先制备高纯度和高超细原料粉体，然后采用 各种成型方法制成各种半成品，再根据不同的组成， 不同的要求，采取不同的烧结方法制成所需要的产 品。

3、 在制备工艺上，成型上多用等静压、注射成型
和气相沉积等先进方法，可获得密度分布均匀和相 对精确的坯体尺寸，坯体密度也有较大提高；烧结 方法上突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界 限，广泛采用真空烧结，保护气氛烧结、热压、热 静压、反应烧结和自蔓延高温烧结等等手段。 4、 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功 能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及 在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功 能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工 程各方面得到广泛的应用。
1、氮化物陶瓷
氮化物包括非金属和金属元素氮化物，他们是高熔
点物质。氮化物陶瓷的种类很多，但都不是天然矿 物，而是人工合成的。日前工业上应用较多的氮化 物陶瓷有氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝 (AlN)、氮化钛(TiN)等。
Si3N4陶瓷材料的热膨胀系数小，因此具有较好的
抗热震性能;在陶瓷材料中，Si3N4的弯曲强度比较 高，硬度也很高，摩擦系数小，作为机械耐磨材料 使用具有较大的潜力; Si3N4陶瓷材料的常温电阻率比较高，可以作为较 好的绝缘材料; Si3N4陶瓷耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液 的腐蚀，也不被铅、锡、银、黄铜、镍等熔融金属 合金所浸润与腐蚀;高温氧化时材料表面形成的氧 化硅膜可以阻碍进一步氧化，抗氧化温度 1800℃。 Si3N4陶瓷可用作热机材料、切削工具、高级耐火 材料，还可用作抗腐蚀、耐磨损的密封部件等 。
碳化钛(TiC)碳化锆( ZrC等)、碳化物的共同特点 是高熔点，许多碳化物的熔点都在3000℃以上。
碳化物在非常高的温度下均会发生氧化，但许多碳
化物的抗氧化能力都比W，Mo等高熔点金属好。
大多数碳化物都具有良好的电导率和热导率，许多
碳化物都有非常高的硬度，但碳化物的脆性一般较 大。
碳化硅(SiC)没有熔点，在常压下2500℃时发生分
氧化物、氮化物结合碳化硅材料已经大规模地用于
冶金、轻工、机械、建材、环保、能源等领域地炉 膛结构材料、隔焰板、炉管、炉膛等;碳化物材料 制备的发热元件正逐步用于1600℃以下氧化气氛加 热的主要元件; 高性能碳化硅材料可以用于高温、耐磨、耐腐蚀机 械部件;碳化硅材料用于制造火箭尾气喷管高效能 热交换器也取得了良好的效果;此外，碳化硅是各 种高温燃气轮机、高温部件的重要候选材料。
化学组成、按照便于进行结构设计及控制的 制造方法进行制造加工的、具有优异特性的 陶瓷称精细陶瓷。
精细陶瓷主要有以下特点：
（１）产品原料全都是在原子、分子水平上分离、
精制的高纯度的人造原料。
（２）在制备工艺上，精细陶瓷要有精密的成型工
艺，制品的成型与烧结等加工过程均需精确的控制。 （３）产品具有完全可控制的显微结构，以确保产 品应用于高技术领域。
解。碳化硅的硬度很高，莫氏硬度为9.2-9.5,显微 硬度为33400MPa,仅次于金刚石、立方BN和B4C等少 数几种物质 碳化硅的热导率很高，大约为Si3N4的2倍;其热膨胀 系数大约相当于A1203的1/2；抗弯强度接近Si3N4材 料，但断裂韧性比Si3N4小;具有优异的高温强度和 抗高温蠕变能力，热压碳化硅材料在1600℃的高温 抗弯强度基本和室温相同;抗热震性好。其化学稳 定性高，不溶于一般的酸和混合酸中。
BN对微波和红外线是透明的，可用作透红外和微波
的窗口。BN在超高压下性能稳定，可以作为压力传
递材料和容器。BN是最轻的陶瓷材料，可以用于飞 机和宇宙飞行器的高温结构材料。
此外，利用BN的发光性，可用作发光材料。涂有BN
的无定形碳纤维可用于火箭的喷嘴等
2、碳化物陶瓷
碳化物陶瓷最主要的特性之一，是具有高熔点。碳
?aln对al和其它熔融金属砷化稼等具有良好的耐蚀性尤其对熔融al液具有极好的耐侵蚀性用作熔融金属用坩锅热电偶保护管真空蒸镀用容器也可用作耐热砖等特别适用于作为2000左右氧也可用作耐热砖等特别适用于作为2000左右氧化性电炉的炉衬材料
第七章 精细陶瓷
第一节
一、定义和分类
概
述
一般认为：采用高度精选原料、具有精确的
精细陶瓷具有多种特殊的性质，如高强度、
高硬度、耐磨耐蚀，同时在磁、电、热、声 光、生物工程等各方面有特殊功能，因而使 其在高温、机械、电子、计算机、航天、医 学工程各方面得到广泛应用。
精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别 1、 在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料
的界限，特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、 硼化物、碳化物等为主要原料。主要区别在于精细 陶瓷原料的各种化学组成、形态、粒度和分布等得 到可以精确控制。 2、 在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定， 所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特 种陶瓷的原料是纯化合物，因此成分由人工配比决 定，其性质的优劣由原料的纯度和工艺，而不是由 产地决定。
（2）液相合成法 液相法制取粉末主要可分为反应沉淀法和溶胶-凝胶 法两大类，后者常常是制取超细陶瓷粉的有效方法。 （3）气相合成法 此种方法可分为蒸发凝聚法（PVD）及气相反应法 （CVD）。前者是将原料加热至高温，使之气化， 然后急冷，凝聚成微粒状物料，适用于制备单一氧 化物、复合氧化物、碳化物或金属微粉。后者是用 挥发性金属化合物的蒸气，通过化学反应合成的方 法。除适用于制备氧化物外，还适用于制备液相法 难于直接合成的氮化物、碳化物、硼化物等非氧化 物。
分
类
按其使用性能来分类，可分为结构陶瓷和功能陶瓷 两大类。 1.结构陶瓷 结构陶瓷以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗 腐蚀等机械力学性能为主要特征。典型的结构陶瓷 包括： (1)耐高温、高强度、耐磨损陶瓷 (2)耐高温、高强度、高韧性陶瓷 (3)耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷 (4)生物陶瓷
2.功能陶瓷
（1）固相合成法
以固态物质原料制备粉体的方法，包括固 -固和固-
气反应。固-固反应的应用如碳化硅粉体的合成， 可采用二氧化硅粉末与炭粉在惰性气氛中加热至 1500～1700℃反应生成SiC。 氮化硅粉体的合成常采用固-气反应。利用高纯度 SiO2粉末和炭粉通N2加热可生成Si3N4。
氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅
与纯氮在1300℃反应后获得。 3Si + 2N2 → Si3N4 也可用化学气相沉积法，使SiCl4和N2在H2气氛保护 下反应，产物沉积在石墨基体上。形成一层致密的 层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下： 3 SiCl4 + 2 N2 + 6 H2 → Si3N4 +12HCl