工程材料第十章陶瓷材料

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；
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。
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(1) 氧化物晶相
典
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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 ：
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。
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
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
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
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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。
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
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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
(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
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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。
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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。
(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。
第十章 陶瓷材料
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)
?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。