工程材料第十章陶瓷材料
《陶瓷材料》课件
欢迎来到本课件《陶瓷材料》。在这篇课件中，我们将深入探讨陶瓷材料的 种类、制备方法、性能以及应用领域。让我们一起开始吧！
简介
什么是陶瓷材料？
陶瓷材料是通过高温烧结制 备而成的一类无机非金属材 料，具有优异的耐高温、耐 腐蚀和绝缘等特点。
常见陶瓷材料有哪些？
常见陶瓷材料包括陶器、瓷 器、磁器等，它们在生活中 扮演着重要的角色。
密度和孔隙率 热膨胀系数 热导率
化学性能
耐腐蚀性能 化学稳定性
机械性能
强度和韧性 硬度
陶瓷的应用领域
• 电子器件 • 航空航天 • 光学仪器 • 器皿与餐具 • 建筑陶瓷
结语
1 陶瓷材料的优缺点
2 未来发展趋势
陶瓷材料具有优异的耐热、 耐腐蚀和机械性能，但也 存在着脆性和加ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ难度大 等缺点。
陶瓷材料在新能源、先进 制造等领域的应用前景广 阔，将持续发展并不断创 新。
3 完。
陶瓷材料的特点和应用 领域
陶瓷材料具有高硬度、良好 的耐磨性和机械性能，被广 泛应用于电子、航空航天、 建筑和医疗等领域。
陶瓷的分类
氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷
晶体陶瓷
• 根据化学成分分类： • 根据结构分类：
硬质合金
玻璃
陶瓷的制备方法
• 干法 • 液相法 • 气相法 • 溶胶-凝胶法
陶瓷的性能
物理性能
陶瓷材料ppt
六.当今世界陶瓷材料发展状况
七.总结
二.陶瓷材料的特性
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、 绝缘、原料丰富、成本低廉等诸多优点而 被人一直关注。现在，陶瓷材料、金属材 料、高分子材料被称为三大主要固体材料。
耐高温
耐磨
耐腐蚀
绝缘
耐腐蚀
正因为陶瓷材料的优良性能，使得其成为当今社 会的极其重要的材料
三.陶瓷材料的应用
3.1 陶瓷材料的功能 陶瓷材料广泛应用的功能：机械功能、电学功能、生物功能、 化学功能、光学功能。 其次随着对陶瓷材料的深入研究，发现了跟多特殊功能，如 核功能、磁性功能、粘结功能、除臭功能等等。
金 属 陶 瓷 刀 具
陶瓷轴承
3.3 电学性能 大多数陶瓷材料有较高的电阻率、较小的介电常数和介 电损耗，因此它可以用作绝缘材料。少数的陶瓷材料可以 用作半导体材料，而且已经成为无线电技术和高新技术领 域不可或缺的材料。有的陶瓷材料还具有超导特性，具有 超导特性的陶瓷已经成为高温超导材料中的重要组成部分。
陶瓷绝缘材料
陶瓷半导体材料
磁悬浮列车上用的超导材料
3.4 生物功能
陶瓷材料的生物功能主要表现在可以修复或替换人体的某 些组织、器官或增强脏器功能的方面。比如人造腔膜、心 脏起搏器用电池板等。另外，有的陶瓷材料还具有人体感 知功能。
生物陶瓷填充用
四.陶瓷材料在机械中的应用
五.我国陶瓷材料的现状
工程材料——陶瓷材料
姓名： 专业：机械工程
一.什么是陶瓷材料
• 陶瓷材料是人类应用最早的材料之一。它 是一种天然或人工合成的粉状化合物，经 过成型或高温烧结，由金属元素和非金属 的无机化合物构成的多相固体材料。
• 1.1常见的陶瓷原料有粘土、石英、钾钠长 石等 。
工程材料10(高分子材料陶瓷材料及复合材料)PPT课件
（3）高分子链的运动：单键内旋转
《工程材料及应用》 第十章 高分子材料、陶瓷材料及复合材料
4、高分子化合物（高聚物）的聚集状态和物理状态
（1）高聚物的结合力 高分子链上各原子之间是共价键结合，为主价力； 高分子链之间是相互作用力范特瓦儿力和氢键。
应用：在机械行业中应用广泛，如轴承、涡轮、齿轮、凸 轮、导板等（应用温度T<1000C）
2）ABS塑料
基体：丙烯腈A-丁二烯B-苯乙烯S三种单体共聚而 成的聚合体
性能：高强度和高硬度，耐油和耐蚀，“质坚、性 韧、刚性大”。
应用：各种电器的外壳，汽车方向盘、仪表盘，飞 机舱内装饰板、窗框、隔音板。
《工程材料及应用》 第十章 高分子材料、陶瓷材料及复合材料 3）氟塑料：聚四氟乙烯(F－4），聚三氟乙烯，聚全
4）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）（代号为PMMA） 性能特点：透光率高，高强度、韧性 ，不易破碎， 耐紫外线和大气老化，易成型加工。 应用：飞机座舱盖，仪表外壳，光学镜片等。
《工程材料及应用》 第十章 高分子材料、陶瓷材料及复合材料
5）热固性塑料
木粉、纸、玻璃
布、石棉等。
酚醛塑料（以非晶态酚醛树脂为基体）＋ 填料
氟乙丙烯。
性能：极优越的化学稳定性，良好的热稳定性；良 好的绝缘性，摩擦系数小，有自润滑性，不 易老化。
缺点：在390C以上分解放出有毒气体，强度较低， 加工成型性较差。
《工程材料及应用》 第十章 高分子材料、陶瓷材料及复合材料 应用：
主要用于制造减磨密封零件、密封圈、垫圈 等；化工工 业中耐腐蚀零件、管道、内衬材 料、过滤器，盛放氢氟酸 容器；电工中的绝缘材料；医疗中的代用血管、人工心肺等。
建筑陶瓷材料讲解PPT
产品种类 粗陶 陶器 颜色 有色 白色或象 多孔坚硬 牙色 有色 白色 致密坚硬 较低 >10 4~8 1~3 <1 质地
烧结 吸水率 程度 /%
主要产品 砖、瓦、陶管 釉面内墙砖、美术 （日用）陶瓷、卫生洁具 外墙面砖、地砖 外墙面砖、地砖、 锦砖、陈列品 锦砖、茶具、美术陈列品
建 筑 琉 璃 制 品
• 琉璃制品是用难熔黏土经制坯、干燥、素烧、施釉、 釉烧而成。建筑琉璃制品质地致密，表面光滑，不 易污染，经久耐用，色彩绚丽，造型古朴，是具有 我国民族传统特色的建筑材料，常用色彩有金黄、 翠绿、宝蓝等色。 • 主要制品有琉璃瓦、琉璃砖、琉璃兽、以及琉璃花 窗、栏杆等各种装饰制件，还有陈设用的建筑工艺 品，如琉璃桌、绣墩、鱼缸、花盆、花瓶等。建筑 琉璃制品主要用于仿古建筑、园林建筑或纪念性建 筑。
• 釉面砖色泽柔和，典雅，朴实大方，表面光滑且容 易清洗，热稳定性好，防潮、防火、耐酸碱。 • 主要用作厨房、浴室、卫生间、实验室、精密仪器 车间和医院等室内墙面、台面等作饰面材料。 • 但由于釉面砖属多孔精陶，吸水率较大(国家规定其 吸水率小于21%)，且吸水后将产生膨胀，所以不能 用于室外。
墙 地 砖
• 墙地砖包括建筑物外墙装饰贴面用砖和室内外地面 装饰铺贴用砖，由于目前这类砖的发展趋向为墙地 两用，故称为墙地砖。 • 陶瓷墙地砖主要有彩色釉面陶瓷墙地砖、无釉陶瓷 墙地砖以及劈离砖、彩胎砖、麻面砖、渗花砖、玻 化砖等新型墙地砖。
• 釉面内墙砖、外墙面砖、地砖目前执行的技术标准 是《陶瓷砖》（GB/T 4100—2006）。根据不同用 途的陶瓷砖选择不同的技术要求，具有技术要求可 参见《陶瓷砖》（GB/T 4100—2006）。
陶瓷材料概述
陶瓷材料概述陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。
它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。
可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。
最初陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。
也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。
传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。
刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。
这时得到陶瓷称为传统陶瓷。
后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。
接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。
陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。
这主要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。
他们都可以作为陶瓷材料。
其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。
更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。
因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。
陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。
（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围）研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。
材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。
陶瓷产品的生产过程是指从投入原料开始，一直到把陶瓷产品生产出来为止的全过程。
它是劳动者利用一定的劳动工具，按照一定的方法和步骤，直接或间接地作用于劳动对象，使之成为具有使用价值的陶瓷产品的过程。
在陶瓷生产过程的一些工序中，如陶瓷坯料的陈腐、坯件的自然干燥过程等。
还需要借助自然力的作用。
使劳动对象发生物理的或化学的变化，这时，生产过程就是劳动过程和自然过程的结合。
陶瓷 工程材料
氧化铝（刚玉）陶瓷 氧化铍陶瓷 氧化锆陶瓷
氧化铝热电偶套管 氧化铝陶瓷密 封环
氧化镁／钙陶瓷
氧化铝陶瓷喷 咀
2）碳化物陶瓷碳化物陶瓷有很高的熔点、硬度（近于金刚
石）和耐磨性（特别是在浸蚀性介质中），缺点是耐高温氧化 能力差（约900℃～1000℃）、脆性极大。
碳化硅陶瓷 碳化硼陶瓷 其它碳化物 陶瓷
碳化硅陶瓷密封件 碳化硅陶瓷坩埚
3）硼化物陶瓷：硼化物陶瓷有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化
钨和硼化锆等。 硼化物陶瓷具有高硬度, 同时具有较好的耐化学浸蚀能力。熔点范 围为1800 ℃～2500 ℃。比起碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有较高的抗 高温氧化性能，使用温度达1400 ℃。
4）氮化物陶瓷
氮化硅陶瓷：氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体；硬
Refractory Bricks
Whitewares
Glass containers
陶瓷的发展
土器
瓷器
陶器
石器
中国古代陶瓷发展
先秦 汉
三国两晋
南北朝-汝瓷（宋1086-1106）
元
明
清
陶瓷的应用
Ceramic Materials
玻璃 粘土制品 高熔点材料 磨料 水泥 先进陶瓷材料
粉末混合
Blending
压制成型
Compaction
Pressing （压制） Isostatic pressing(cold, hot)（冷、热等静压） Rolling（轧制） Extrusion（挤压） Forging（锻压） Diffusion （扩散） Plastic flow（塑性流动） Evaporation of volatile materials（蒸发） Recrystallization（再结晶） Grain growth（晶粒长大） Shrinkage （收缩）
工程材料--陶瓷材料
陶瓷材料
➢陶瓷材料的结构与性能 ➢常用的工程结构陶瓷材料 ➢金属陶瓷
一、陶瓷材料的结构与性能
1、陶瓷的概念
陶瓷是陶器与瓷器的总称，亦称为 无机非金属材料， 是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化 合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、氟化物）为原 料，经粉碎、配置、成型和高温烧制而成的无机非金属材 料。
简单来说，陶瓷材料就是除金属、高聚物以外的无机 非金属材料的通称。
2、陶瓷材料的发展
陶器
高铝质粘土和瓷土的
应用、釉的发明、高 温技术的发展
瓷器 （传统陶瓷）
原料纯化、陶瓷工艺
的发展、陶瓷理论的 发展
先进陶瓷 （微米级）
纳米陶瓷
显微结构分析的进步、 性能研究的深入、无损 评估的成就、相邻学科 的推动
一般金属离子填充的间隙主要有两种，分别为 四面体和八面体间隙。
•非氧化合物（金属陶瓷的重要组成和晶体相）
结合键以共价键为主，并含有一定成分的金属键和离子键； 它们的晶体结构通常都比较复杂。
玻璃相
陶瓷中玻璃相的作用有以下四点： 粘结晶粒，填充晶粒间隙，提高材料的致密度； 降低烧结温度，加快烧结过程； 阻止晶体转变，抑制晶粒长大；， 获得 一定程度的玻璃特性，如透光性等。
（2）成型
原料经过坯料制备后，依成型工艺的要求，可以是粉料、浆料或 可塑泥团。
陶瓷制品的成型方法
可塑法
注浆法 压制法
又称为塑性料团成型法，是在坯料中加 入一定量的水或塑化剂使其成为具有良 好塑性的料团，然后利用料团的可塑性 通过手工或机械成型。常用的工艺有挤 压成型和车坯成型。
又称为浆料成型法，是先把原料配置成 浆料，然后注入模具中成型，分为一般 注浆成型和热压注浆成型。
第10章 陶瓷材料(修)
这一相变过程伴随着3~5%的体积变化 如: YSZ陶瓷, ZTA陶瓷
第3节 陶瓷材料的力学性能
• 相变增韧
第3节 陶瓷材料的力学性能
ZrO2含量的影响
1000
抗弯强度 冲击韧性
100 90 80 60 50 40 30 20 10 0
0 5 10 15 20
800 抗弯强度,MNm -2 600 400 200 0 ZrO 2 , Vol%
冲击韧性，Jm -2
70
第3节 陶瓷材料的力学性能
9 8 7
第4节 陶瓷材料的物理性质 ● 电性能和光学特性 一些陶瓷材料具有优良的电性能 电性能和 一些陶瓷材料具有优良的电性能和光学特 已开发成功多种功能材料， 性，已开发成功多种功能材料，如：压电陶瓷 半导体陶瓷、红外光学材料、激光材料、 、半导体陶瓷、红外光学材料、激光材料、光 导纤维等。 导纤维等。 ●化学性能 陶瓷的结构很稳定，具有优良的抗氧化性 陶瓷的结构很稳定，具有优良的抗氧化性 不可燃性，对酸、 盐介质有很高的抗蚀 和不可燃性，对酸、碱、盐介质有很高的抗蚀 与多种金属熔体也不发生作用， 性，与多种金属熔体也不发生作用，是很好的 耐蚀材料和坩埚材料。 耐蚀材料和坩埚材料。
NaCl晶体中两个不同滑移系示意图
第3节 陶瓷材料的力学性能
二 影响陶瓷材料强度的因素 1.空隙: 陶瓷中空隙是产生应力集中的地方 2.裂纹: 也是影响陶瓷强度的一个重要因素 3.温度与环境: 温度与环境也是影响陶瓷材料的因素
第3节 陶瓷材料的力学性能
陶瓷材料ppt
它具有优良的 综合力学性能 和耐高温性 能。另TZN， BN、AI问筹 氮化物陶瓷的 应用也日趋广 泛。最近刚刚 出现C3N4， 可望其性能超 过Si3O4 。
硼化物陶瓷的 应用并不很 广泛，主要是 作为深加剂或 第二相加入其 它陶瓷基体中， 以达到改善性 能的目的。 常用的有 Ti，Zr等。
陶瓷的分类—按性能与用途分类
陶瓷材料的特点
高硬度
高焰点
高化学 稳定性
决定了它具有 良好的耐蚀性
决定了它具有 优异的耐磨性
决定了它具有 杰出的耐热性
陶瓷的性能
特性
力学特性
热特性
电特性
化学特性
陶瓷的性能
1.力学特性：陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬 度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑 性和韧性很差。 2.热特性：陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高 温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是 良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化 时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 3.电特性：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电 压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较 高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还 能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作 扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具 有半导体的特性，可作整流器。
4.化学特性：陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐 具有良好的抗腐蚀能力。
5.陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、 光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管 等。磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、 Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记 忆元件方面的应用有着广泛的前途。
陶瓷材料力学性能.
第一节 陶瓷材料的结构
• 陶瓷材料的组成与结合键
负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在 周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶 体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。
• 陶瓷材料的显微结构
• 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 • 如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材 料的强度下降，易于产生塑性变形。 • 气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度及硬 度下降。
第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧
• 陶瓷材料的断裂韧度
1.单边切口梁法
• • • •
优点： (1) 数据分散性好； (2) 重现性好； (3) 试样加工和测定方法比较简单，是目前 广泛采用的一种方法。 • 缺点： • 测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽 度增加， KIC增大，误差随之增大。 • 如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以 下，或在切口顶端预制一定长度的裂纹， 可望提高KIC值的稳定性。
3.压痕法
• 测试过程：用维氏或显微硬度压头，压入 抛光的陶瓷试样表面，在压痕时对角线方 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，求出KIC值。
• 优点：测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试， 但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。 • 缺点：由于裂纹的产生主要是残余应力的作用，而残余应 力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因 此，这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变 或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。
材料力学性能
第十章 陶瓷材料的力学性能
• 陶瓷材料广泛应用于我们的日常生活，它和金属材料、 高分子材料并列为当代三大固体材料之一。 • 传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型 烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。 • 工程陶瓷的力学性能是耐高温、硬度高、弹性模量高、 耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。
10-第十章陶瓷材料
陶瓷材料是除 金属和高聚物 以外的无机非 金属材料通称.
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。
第一节 概述 一、陶瓷材料的特点 二、陶瓷材料的分类 第二节 常用工业陶瓷 一、普通陶瓷 二、新型结构陶瓷
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. 减少加入的氧化物数量，使
ZrO2陶瓷 耐火件
普通陶瓷加工成型性好,
景
成本低，产量大。
德
镇
除日用陶瓷、瓷器外，
瓷
大量用于电器、化工、
器
建筑、纺织等工业部门.
绝 缘 子
二、新型结构陶瓷
⑴ 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。
单相Al2O3陶瓷组织
Al2O3密封、气动 陶瓷配件
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。
叶片气阀等零 件
汽轮机转子
陶瓷零 件
特种陶瓷采用人工合成的 材料作原料。
工程材料第十章陶瓷材料
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1. 晶体相
晶体相——以化合物或化合物为基的固溶体 主 晶 相→决定陶瓷的性能 次晶相 第三晶相
按组成分： 氧 化 物：氧化铝、氧化钛 非氧化物：碳化物、氮化物 含氧酸盐：硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐
TiC、ZrC、VC、NbC和TaC 第二类：复杂碳化物 ：
?斜方结构的 Fe3C、Mn3C、Co3C、Ni3C和Cr3C2,
?立方结构的 Cr23C6、Mn23C6,
?六方结构的 WC、MoC和Cr7C3、Mn7C3
?复杂结构的 Fe3W3C
8
氮化物 含有一定的离子键 结构：六方晶格 BN，六方晶系的 Si3N4和AlN。 硼化物和硅化物 较强的共价健，连成 链、网和骨架，构成独立结构 单元。
缘体; 不少陶瓷既是离子导体, 又有一定的电子导电性; 许多
氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。
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3.3 化学性能
结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料： 金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发 生作用； 对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许 多金属的熔体也不发生作用。
特 结构陶瓷(工程陶瓷) 种 陶 瓷 功能陶瓷
3
2. 陶瓷材料的结合键 陶瓷材料的 结合键：离子键、共价键 一价、二价金属氧化物： 离子键>共价键 MgO ，离子键 84%，共价键 16% 三价、四价的氧化物、氮化物、碳化物： 离子键 ≤共价键 SiC，离子键 18% ，共价键 82%
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二、 陶瓷材料的组织与结构
(3) 韧性
非常典型的脆性材料
材料工程基础-陶瓷
第三篇 陶瓷工艺原理第一章 陶 瓷 概 述一、陶瓷的概念和分类日用瓷普通陶瓷 建筑卫生陶瓷陶瓷 化工陶瓷结构陶瓷特种陶瓷功能陶瓷普通陶瓷是指以粘土和其他天然矿物为原料，经过粉碎、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品，是陶器、炻器、瓷器等粘土制品的统称炻器陶器吸水率﹥15%，胎体未玻化或玻化程度差，结构疏松，气孔率大，断面粗糙，敲击声沙哑，不透光瓷器吸水率≥3%，胎体玻化程度较好，结构较为致密，气孔率较小，断面呈石状或贝壳状，敲击声较脆，不透光吸水率﹤3%，胎体玻化程度好，结构致密，气孔率小，断面贝壳状，敲击声清脆，透光日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地砖电瓷不同形状的特种结构陶瓷件功能陶瓷电子绝缘件超声波雾化器用氧化锆陶瓷金属陶瓷阀门压电陶瓷晶片这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺。
三、陶瓷工艺的发展穴窑→升焰窑→倒焰窑→阶梯窑（龙窑）→隧道窑三、陶瓷工艺的发展→辊道窑→热压、热等静压四、普通陶瓷基本工艺流程原料→球磨→化浆→制粉(制泥)→陈腐→成型→烘干→上彩→上釉→烧成→拣选第二章 原 料第一节 粘土类原料一、粘土概况1. 定义粘土是一种或多种呈疏松或胶状密实的含水铝硅酸盐矿物的混合物2. 成因粘土主要是由铝硅酸盐类岩石经过长期地质年代的自然风化作用或热液蚀变作用而形成的2[KAlSi3O8](钾长石)+H20+H2CO3→Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2+K2CO32[KAl3Si3O10(OH)2](绢云母)+3H20+H2CO3→Al2Si2O5(OH)4+K2CO3Al2Si2O5(OH)4(高岭石)→Al2O3·nH2O(水铝石)+SiO2·nH2O(蛋白石)3. 分类⑴按成因分：①原生粘土：母岩风化崩解后在原地残留下来的粘土②次生粘土：由原生粘土经雨水、风冲刷而迁移至盆地或湖沼沉积而成的粘土层⑵按可塑性分：①高可塑性泥土②低可塑性粘土⑶按耐火度分：①耐火粘土：耐火度﹥1580℃②难熔粘土：耐火度 1350～1580℃③易熔粘土：耐火度﹤1350℃二、粘土的组成1.主要化学成分SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2和灼减量2.主要粘土矿物组成（1）高岭石类（Al2O3· 2SiO2· 2H20)1:1型一层硅层与一层铝层重叠而成1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图特点：①单位晶胞（层）化学式：Al 2Si 4O 10(OH)8SiO 2/Al 2O 3=4/2=2②膨胀性小：晶层间距约0.72nm ，硅片和铝片之间存在氢键 ③电荷数量少，同晶替代极少④颗粒较大（有效直径0.2～2μm ），可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱（2）蒙脱石类（Al2O3· 4SiO2· nH20，n﹥2）2:1型两层硅层中间夹一铝层 特点：① 蒙脱石理论硅铝率SiO 2/Al 2O 3=8/2=4② 膨胀性大：晶层以分子引力联结，晶层间距：0.96～2.14nm ③ 电荷数量大，同晶替代现象普遍④ 颗粒较细，呈片状，可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著（3）伊利石类（K 2O· 3Al 2O 3· 6SiO 2· 2H 20 · nH 20） 特点：①2 :1型： SiO 2/Al 2O 3:3～4②非膨胀性：晶层之间吸附的K +的强吸附力，层间距1.0nm③电荷数量大：同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K +中和，有效电荷量少于蒙脱石④可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间 三、粘土的性质1.可塑性◎粘土与适量水混练后的泥团在外力作用下，发生塑性形变但不开裂，当外力除去后，仍保持形变的性能可塑性指数：是粘土的液体限制（由塑性状态进入流动状态的最高含水量）与塑性限度（由固体状态进入塑性状态的最低含水量）之间的差值可塑性指标：在工作水分下，粘土泥团受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积强塑：数﹥15；标﹥3.6中塑：数 7~15；标 2.5~3.6弱塑：数 1~7；标﹤2.5非塑：数﹤1⑴ 将粘土原矿进行淘洗去杂或长期风化⑵对泥料进行真空练泥⑶把湿润了的粘土或坯料长期陈腐⑷ 掺用少量的强可塑性粘土⑸ 加入增塑剂2. 结合性粘土能粘结一定细度的瘠性物料，形成可塑泥团并有一定干燥强度的性能3. 离子交换性粘土颗粒由于表面层的断键和晶格内部离子的被置换而带有电荷，能吸附其他异性离子，在水溶液中，这种被吸附的离子又可被其他相同电荷的离子所置换离子交换容量：指PH=7时每100克干粘土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的毫摩尔数，单位为mmol/100gH+﹥Al3+﹥Ba2+﹥Sr2+﹥Ca2+﹥Mg2+﹥NH4+﹥K+﹥Na+﹥Li+OH-﹥CO32-﹥P2O74-﹥PO43-﹥I-﹥Br-﹥Cl-﹥NO3-﹥F-﹥SO42-4. 触变性粘土泥浆或可塑性泥团受到搅拌或振动时，粘度会降低，流动性增加，静置后逐渐恢复原状以及泥浆（团）放置一段时间后，在维持原有水分的情况下出现变稠和固化的现象都称为触变性泥浆厚化度：以泥浆放置30分钟和30秒后其相对粘度之比来表示泥浆厚化度=τ′/τ〞式中τ′和τ〞分别为100ml泥浆放置30分钟和30秒后由恩式粘度计中流出的时间泥团厚化度：放置一段时间后，球体或锥体压入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数泥团厚化度=（Pn-Po）/Po×100%式中Pn—泥团开始承受的负荷Po—经一定时间后球体或锥体压入相同深度时泥团承受的负荷⑴ 粘土的矿物组成⑵ 颗粒越细，形状愈不对称，愈易成触变结构⑶ 吸附阳离子的价数愈小，或价数相同，离子半径愈小者，触变性愈大⑷ 含水量大的泥浆，不易形成触变结构⑸ 温度愈高，粘土质点热运动愈剧烈，使粘土颗粒间的作用力减弱，不易建立触变结构，触变性小5.收缩⑴干燥收缩= (L0-L干) / L0×100%S干分别为试样的原始长度和干燥后长度L0、L干S干为试样的干燥线收缩率⑵烧成收缩S烧= (L干- L烧) / L干×100%L烧、L干分别为试样烧成后长度和干燥后长度S烧为试样的烧成线收缩率⑶总收缩率S 烧=(S 总-S 干) / (100 - S 干) ×100%6.烧结温度与烧结范围3525153020105963气孔率%收缩率% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 温度℃ 气孔率曲线收缩曲线t 1 t 2 t 3t 1 为开始烧结温度t 2为烧结温度t 3为软化温度t 2→ t 3为烧结温度范围7.耐火度 材料在高温下，虽已发生软化而没有全部熔融，在使用中所能承受的最高温度演示…T=（360+Al2O3-RO）/0.228T—耐火度Al2O3—粘土中Al2O3和SiO2总量换算为100%时，Al2O3所占的质量%RO—粘土中Al2O3和SiO2总量换算为100%时，相应带入的其它杂质氧化物的质量%四、粘土在陶瓷生产中的作用1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础2.粘土使泥浆和釉浆具有悬浮性和稳定性3.粘土的结合性有利于坯体的成型加工4.粘土是陶瓷坯体烧结的主体第二节 石英类原料一、石英类原料的种类常用的石英原料有脉石英、砂岩、石英岩、石英砂二、石英的一般性质石英的颜色，根据不同的晶型和类别，有多种多样，平常用作工业原料的石英呈乳白色或灰色，有玻璃光泽 (断口为油脂光泽)，硬度为7，比重2.31~2.65，无解理三、石英的同质多象转变按照[SiO4]四面体连接方式，有三种最基本存在状态:石英（Quaytz) 870℃以下磷石英 (Tridymite) 1470 ℃以下方石英 ( Cristobalite) 1713 ℃以下超过1713 ℃以后熔融态在自然界中则大部分以石英的形态稳定存在，只有少部份的以磷石英或方石英的介稳态存在四、主要的变体类型：（1）石英：常表现出六方晶形的透明大晶体。
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一、陶瓷材料基本知识
1. 陶瓷材料的含义 陶瓷
陶器、瓷器 玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等
粘土、石灰石、长石、石英
硅酸盐类材料
现代陶瓷——各种无机非金属材料
传统陶瓷
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陶瓷分类
利用天然硅酸盐矿物为原料制成
陶
普通陶瓷
的陶瓷(传统陶瓷)
瓷
材
料
特种陶瓷
利用人工合成原料制成的陶瓷(新 型陶瓷或现代陶瓷)
硬度/HV 很低 ~17 ~170
300~800 ~3000
6000~10000
原因：陶瓷材料牢固的离子键和共价键
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(2) 强度
陶瓷的强度特征
实际强度比理论值低得多，理论值E/10~E/5，实际值(E/1000 ~E/100)
原因
?晶界上有晶粒间的局部分离或空隙； ?晶界上原子间键被拉长, 键强度被削弱； ?相同电荷离子的靠近产生斥力, 会造成裂缝；
普通陶瓷的典型组织：晶体相、玻璃相、气相 特种陶瓷组成较单一，如： Al2O3(95%)陶瓷 主要晶体相和少量的气相
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1. 晶体相
晶体相——以化合物或化合物为基的固溶体 主 晶 相→决定陶瓷的性能 次晶相 第三晶相
按组成分： 氧 化 物：氧化铝、氧化钛 非氧化物：碳化物、氮化物 含氧酸盐：硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐
瓷和多孔陶瓷。
③气孔对陶瓷的性能不利
（多孔陶瓷除外）
气孔率
ห้องสมุดไป่ตู้
普通陶瓷： 5~10％
特种陶瓷： ≤5％
金属陶瓷： ≤0.5％
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三、 陶瓷材料的性能
1. 力学性能 (1) 弹性模量和硬度
材料 橡胶 塑料 铝合金 钢 碳化钛 金刚石
弹性模量/MPa 6.9 1380
72300 207000 390000 1140000
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四、 工程陶瓷简介
1.普通陶瓷 普通陶瓷(传统陶瓷 )——以高岭土 (Al2O3·2SiO2·H2O)和长石(钾 长石K2O·Al2O3·SiO2、钠长石Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)组 成的，主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)。利用天然硅酸盐矿物为 原料制成的陶瓷， 性能特点：具有高的硬度、良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性， 用途：生活器皿，建筑用瓷、电器绝缘瓷、化工瓷等。
(3) 氮化物陶瓷 氮化物陶瓷主要有 Si3N4、BN等，它们的特点是熔点高、耐磨性 好，化学稳定性高。BN陶瓷能耐高温、并有自润滑性，可作高温 耐摩擦零件。立方BN硬度极高，制作高硬度金属的切削工具。
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(3) 硅酸盐晶体相 普通陶瓷的主要原料， 结合键：离子键、共价键 ①构成硅酸盐的基本单元： 硅氧四面体结构 ②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结
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2. 玻璃相 玻璃相产生过程 陶瓷坯体在烧成过程中，由于复杂的物理化学反应， 产生不均匀 (不平衡)的酸性和碱性氧化物的熔融液相。 冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时 , 熔体硬 化，转变为玻璃。
(3) 韧性
非常典型的脆性材料
冲击韧性：10kJ/m2以下，断裂韧性值很低。
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3.2 物理性能
(1)热膨胀性能
线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低
(2)导热性
由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料
(3)热稳定性
热稳定性很低(比金属低得多)
(4)导电性
变化范围很广：由于缺乏电子导电机制, 多数陶瓷是良好的绝
?致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。 陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高， 抗压强度很高。
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(3) 塑性 陶瓷在室温下几乎没有塑性
陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大；
共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥 力很大；
在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现 出一定的塑性。
缘体; 不少陶瓷既是离子导体, 又有一定的电子导电性; 许多
氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。
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3.3 化学性能
结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料： 金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发 生作用； 对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许 多金属的熔体也不发生作用。
特 结构陶瓷(工程陶瓷) 种 陶 瓷 功能陶瓷
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2. 陶瓷材料的结合键 陶瓷材料的 结合键：离子键、共价键 一价、二价金属氧化物： 离子键>共价键 MgO ，离子键 84%，共价键 16% 三价、四价的氧化物、氮化物、碳化物： 离子键 ≤共价键 SiC，离子键 18% ，共价键 82%
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二、 陶瓷材料的组织与结构
TiC、ZrC、VC、NbC和TaC 第二类：复杂碳化物 ：
?斜方结构的 Fe3C、Mn3C、Co3C、Ni3C和Cr3C2,
?立方结构的 Cr23C6、Mn23C6,
?六方结构的 WC、MoC和Cr7C3、Mn7C3
?复杂结构的 Fe3W3C
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氮化物 含有一定的离子键 结构：六方晶格 BN，六方晶系的 Si3N4和AlN。 硼化物和硅化物 较强的共价健，连成 链、网和骨架，构成独立结构 单元。
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(1) 氧化物晶相
典
萤石结构 (ThO 2)
型
氧
岩盐结构 (MgO)
化
物
刚玉结构 (Al2O3)
氧化物的结构及特点 ：
氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则 地分布在四面体和八面体的间隙之中。
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(2) 非氧化物晶相
金属碳化物
共价键和金属键之间的过渡键 , 以共价键为主。 第一类：间隙相 ：
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2. 特种陶瓷
(1) 氧化物陶瓷
Al2O3(刚玉)陶瓷是应用最广的氧化物陶瓷，它具有高的强度和高 温强度、高的化学稳定性和介电性，但热稳定性差。
应用：高速切削工具、量规、拉丝模、绝热材料和坩埚材料等。
(2) 碳化物陶瓷 碳化物陶瓷主要有 SiC、WC、TiC等。碳化物陶瓷硬度高、熔点 高、抗氧化，但不抗强碱。具有较高的高温强度和热传导能力、 较高的耐磨性、耐蚀性和热稳定性，主要用作加热元件、砂轮等。
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玻璃相作用 ?粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度； ?降低烧成温度，加快烧结； ?阻止晶体转变，抑制其长大； ?获得透光性等玻璃特性。 不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介 电性能、耐热耐火性等不利。
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3. 气相 ①气相是陶瓷内部残留的孔洞；
成因复杂，影响因素多。
②陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶