常见陶瓷材料性能及运用-讲义

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1.3 氧化镁(MgO)陶瓷
MgO陶瓷的主晶相为MgO，属立方晶系氯化钠结构，熔点2800℃,理论密度 3.58 g/cm2，在高温下比体积电阻高，介质损耗低，介电系数为9.12具有良 好的电绝缘性，属于弱碱性物质。MgO对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力， 与镁、镍、铀钍、铝、钼等不起作用，可用于制备熔炼金属的坩锅、浇注金 属的模子，高温热电偶的保护管，高温炉的炉衬材料等。
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1.1 氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷又称刚玉瓷，一般以α-A1203为主晶相。根据A1203含量和添加剂 的不同，有不同系列。如根据A1203含量不同可分为75瓷，85瓷，95瓷，99瓷 等;根据其主晶相的不同可分为莫来石瓷、刚玉-莫来瓷和刚玉瓷;根据添加剂的 不同又分为铬刚玉、钛刚玉等。 Al203陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种;A1203陶瓷 与大多数熔融金属不发生反映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定温度以上对其有还原 作用;热的硫酸能溶解A1203，热的HCl, HF对其也有一定腐蚀作用;A1203陶瓷 的蒸汽压和分解压都是最小的。由于A1203陶瓷优异的化学稳定性，可广泛地 用于耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套，输送酸的管道内衬和阀门等。 氧化铝的含量高于95%的Al203陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等 特点，因而在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。 A1203陶瓷的高硬度和耐磨性在机械领域得到了广泛应用。如制造纺织耐磨零 件、刀具。各种发动机中还大量使用A1203陶瓷火花塞。 透明Al203陶瓷对于可见光和红外线有良好的透过性，同时具有高温强度高、耐 热性好、耐腐蚀性强等特点。可用于制造高压钠灯灯管、红外检测窗口材料等。
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2.3.1 氮化硼(BN)陶瓷—六方
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。六力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。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，可用作场致发 光材料。涂有BN的无定形碳纤维可用于火箭的喷嘴等。
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2.1 氮化硅(Si3N4)陶瓷
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，同时具有自润滑性，摩擦系数小，与加 油的金属表明相似，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，抗执化温度达 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。
MgO陶瓷
氧 化 物 陶 瓷
稳定氧化锆(ZrO2) 陶瓷
部分稳定Zr02陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高强度、断裂韧性及抗热冲击性能 导热系数小，隔热效果好，热膨胀系 数大
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常见陶瓷分类
分类 名称 氮化硅(Si3N4)陶瓷 特点 主要用途
氮 化 物 陶 瓷
热膨胀系数小，抗热震，弯曲强度高， 惹急材料，切削工具，高级耐火材料，抗腐蚀、 硬度高，自润滑，摩擦系数小，抗腐 抗磨损的密封件 蚀 热硬度高，抗热震，良好地电绝缘性 和介电性质 自润滑性，耐热性，导热，绝缘，质 量轻 化学稳定兴高，导热剂耐热性能号， 硬度高 性度高，热导率高，抗热震性能好， 化学稳定性高， 比重低，低膨胀系数，高导热，高硬 度和高耐磨性， 熔炼金属用的坩埚，热电偶保护管，真空蒸镀 容器，耐热砖，大规模集成电路基板 高温固体润滑剂，轴承，坩埚，绝缘材料，压 力传递材料和容器，航空高温结构材料，火箭 喷嘴 磨料，切削刀具 炉膛结果材料、隔焰板、撸管，发热元件，高 温、耐磨、耐腐蚀机械部件、汽轮机高温部件 磨料，耐磨零件、热电偶原件、高温半导体、 宇宙飞船上的热电转化装置、防弹装甲、反应 堆控制棒与屏蔽材料等
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常见陶瓷分类
分类 名称 氧化铝陶瓷 特点 化学性质稳定，机械强度高 电绝缘性，低介质损耗 对可见光和红外线的良好透过性，耐 温耐热耐腐蚀 高温下比体积电阻高，介质损耗低， 具有良好的电绝缘性 对碱性熔渣有较强的抗侵蚀能力 比热、导热系数小 化学稳定性号，耐酸性及中性物质腐 蚀 绝缘性 主要用途 叶轮泵体轴套阀门管道内衬等 电子电器应用 纺织耐磨零件，刀具，火花塞 高压钠灯灯管，红外检测装置窗口 用于制备熔炼金属的坩埚，浇铸金属的模子， 高温热电偶保护管，高温炉内衬 高温隔热材料、高温炉内衬、耐热涂层 坩埚 高温发热元件，高温电极材料，产生紫外线的 灯 氧气传感器 陶瓷发动机中的汽缸内壁、活塞、缸盖等部件 无润滑轴承，喷砂设备喷嘴、制药用冲压模 工业剪刀、羊毛剪、微电子工业用具、微生物 陶瓷材料
玻 璃 陶 瓷
表面可强化玻璃陶 瓷
可加工玻璃陶瓷 独特地显微结构使其具备可加工性能， 电绝缘、微波技术、精密仪器和航空、航天领 可以采用普通的钻、锯或车削、磨等 域 加工到精密尺寸 具有高热震抗力、哟一的绝缘性能
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1 氧化物陶瓷
氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主，存在部分共价键，因此具有许多 优良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点，良好的电绝缘性能，特别是具 有优异的化学稳定性和抗氧化性，在上程领域已得到了较广泛的应用。
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2.3.2 氮化硼(BN)陶瓷—立方
立方BN为闪锌矿结构，化学稳定性高，导热及耐热性能好，其硬度与人造金刚 石相近，是性能优良的研磨材料。与金刚石相比，其最突出的优点在于高温下不 与铁系金属反应，并且可以在1400℃的温度使用。 立力BN除了直接用作磨料外，还可以将其与某些金属或陶瓷混合，经烧结制成 块状材料，作为各种高性能切削刀具。
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3 碳化物陶瓷
氧化铝陶瓷 氧化物陶瓷 氧化锆(Zr02)陶瓷 MgO陶瓷 氮化硅(Si3N4)陶瓷 氮化物陶瓷 陶瓷 碳化物陶瓷 氮化铝(AlN)陶瓷 氮化硼(BN)陶瓷 碳化硅(SiC)陶瓷 碳化硼(BC)陶瓷 低膨胀玻璃陶瓷 玻璃陶瓷 表面可强化玻璃陶瓷 可加工玻璃陶瓷 六方BN 立力BN 稳定Zr02陶瓷 部分稳定Zr02陶瓷
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2 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。
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1.2.2 部分稳定氧化锆(ZrO2)陶瓷
部分稳定Zr02陶瓷由t c双相组织组成，具有非常高的强度，断裂韧性和抗热 冲击性能，被称为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小，隔热效果好，而热膨 胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在日前所研制的陶瓷发动机中 用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。 部分稳定Zr02陶瓷还可作为采矿和矿物工业的无润滑轴承，喷砂设备的喷嘴， 粉末冶金上业所用的部件，制药用的冲压模等。 另外，部分稳定Zr02陶瓷还可用作各种高韧性，高强度工业与医用器械。如 纺织工业落筒机用剪刀、羊毛剪，磁带生产中的剪刀，微电子工业用工具， 此外由于其不与生物体发生反应，也可用作生物陶瓷材料。
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1.2 氧化锆(ZrO2)陶瓷
Zr02有二种锆同素异形体立方结构(c相)、四方结构(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。
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1.2.1 稳定氧化锆(ZrO2)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。 稳定Zr02陶瓷化学稳定性好，高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀，但不能 抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第V , VI ,VII族金属元素与其不发生反应，可 以用来作为熔炼这此金属的坩埚。 纯Zr02是良好的绝缘体，由于其明显的高温离子导电特性，可作为2000℃使 用的发热元件，高温电极材料，还可用作产生紫外线的灯。 此外利用稳定Zr02的氧离子传导特性，可制成氧气传感器，进行氧浓度的测 量。
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2.2 氮化铝(AlN)陶瓷
AIN属于共价键化合物，六方晶系，纤维锌矿型结构，白色或灰白色，密度 3.26g/cm2，无熔点，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。具有优异的抗热震性。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，此外，还具有优良的 电绝缘性和介电性质;但AlN的高温抗氧化性差，在大气中易吸潮、水解。 AlN可以用作熔融金属用坩锅、热电偶保护管、真空蒸镀用容器，也可用作真空 中蒸镀金的容器、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。
氮化铝(AlN)陶瓷 六方氮化硼(BN)陶 瓷 立力氮化硼(BN)陶 瓷
碳 化 物 陶 瓷
碳化硅(SiC)陶瓷 碳化硼(BC)陶瓷
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常见陶瓷分类
分类 名称 低膨胀玻璃陶瓷 特点 热膨胀系数低(可为负值)、强度高、 热稳定性能好、使用温度高 主要用途 航天飞机零件、高级炊具、高温作业观察窗、 微波炉盖、望远镜、激光元器件及航天飞机上 的重要零部件
典型碳化物陶瓷材料一有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)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，特别是B4C的硬度仅次于金 刚石和立方氮化硼，但碳化物的脆性一般较大。
常见陶瓷材料性能及运用
2013年1月17日
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常见陶瓷分类
20世纪后期随着许多新技术(如电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术 等)的兴起，以及基础理论(如矿物学、冶金学、物理学等)和测试技术(如电子 显微镜技术、X射线衍射技术和各种频谱仪等)的发展，人们对材料结构和性能 之间的关系有了深刻认识。通过控制材料的化学成分和微观组织结构，研制出 了许多具有不同性能的陶瓷材料，如各种功能陶瓷(电子材料、光导纤维、敏 感陶瓷材料)及高温结构陶瓷。与传统陶瓷材料相比其强度得到了成百上千倍 的提高，再加上陶瓷材料本身具备的优异的耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘等特 性，使其在许多重要领域得到了越来越广泛的应用。 常用上程陶瓷材料主要包括:金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、 氮、氧等非金属元素组成的化合物，以及非金属元素所组成的化合物，如硼和 硅的碳化物和氮化物。 根据其元素组成的不同可以分为:氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化 物陶瓷和硼化物陶瓷。此外，近年来玻璃陶瓷作为结构材料也得到了广泛的应 用。