陶瓷材料的基本材料

Al2O3、ZrO2
燃烧室喷嘴：SiC,BeO 电炉发热体：ZrO,SiC
Slide - 15
High Confidential
３.其它物理、化学性能： i：高电阻：良好的绝缘体。
半导体陶瓷、压电陶瓷等。
ii：特殊光学性能：
固体激光材料：红宝石；
光导纤维：玻璃纤维。 iii：磁性陶瓷：又名铁氧体， 由Fe2O3和Mn、Zn的氧化物组成。 iv：高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化。
High Confidential
3、碳化物陶瓷： 包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、 碳化钨、
碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。
特点：具有很高的熔点、硬度和耐磨性 缺点：耐高温氧化能力差，脆性极大
Slide - 31
High Confidential
碳化硅陶瓷：碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为
性能
用途
耐酸碱容器 绝缘电磁
Slide - 18
High Confidential
二、特种陶瓷：
采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、 ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、成型、烧 结而制得。
Slide - 19
High Confidential
1、氧化物陶瓷：
氧化铝陶瓷:以Al2O3为主要成分， 75 瓷（ 75% Al2O3 ）又称刚玉 - 莫来石瓷； 95 瓷
氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如
耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切 削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花 塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。
氧 化 铝 陶 瓷 密 封 环
氧化铝陶瓷坩埚
氧化铝陶瓷转心球阀
Slide - 22
High Confidential
氧化锆陶瓷
氧化锆陶瓷的熔点在2700℃以上，使用温度为2000～2200℃，
常压烧结碳化 硅
碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一
层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂
有硼、碳、铝等。
Slide - 33
High Confidential
谢谢！
Slide - 34 High Confidential
叶片、气阀
氮化硼陶瓷
氮化硼陶瓷的主要晶相是BN，属于共价晶体，
其晶体结构与石墨相仿，为六方晶格。
特点：具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当；
热膨胀系数小，绝缘性好，化学稳定性高；硬度较其它陶瓷低，可 进行切削加工；有自润滑性。
应用：制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。
Slide - 30
热压烧结
Slide - 27
High Confidential
特点： （1）硬度高，摩擦因子小
只有0.1～0.2，具有自润滑性；
（2）蠕变抗力高，热膨胀系数小
抗热振性能在陶瓷中最佳，比 Al2O3瓷高2～3倍；
（3）化学稳定性好
抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀；
σf表示弹性变形达到极限程度而发生断裂的应力。
陶瓷断口
Slide - 11 High Confidential
σf的影响因素：
i.气孔率：气孔降低承载面积，并引起应力集中。气孔 率高，强度急剧下降，例气孔率10%，强度下降到无气孔 时的一半。 ii.晶粒尺寸：晶粒越细，σf越高。 iii.晶界相的性质、厚度、晶粒形状：晶界相最好能 阻止裂纹的扩展，玻璃相对σf不利。晶粒形状最好为均 匀的等轴晶粒。
3.2×103kg·m-3 ，弯曲强度和抗压强度分别为 200 ～ 250MPa 和 1000 ～
1500MPa，硬度为莫氏9.2。
特点：热导率高，而热膨胀系数小。 应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。
Slide - 32
High Confidential
碳化硅是通过键能很高的共价键结 合的晶体。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦 碳直接加热至高温还原而成： SiO2+3C→SiC+2CO
粉末原料转化成一定体积和强度的成型体，也称素坯。 ⅰ.成型在陶瓷烧结致密化中的重要作用：
一定形状
加压成型
减少孔隙度 残余应力
残余应力：烧结过程中即固相扩散物质迁移致密化的驱动力。没
有经过压实的粉末，即使在高温下（＜Tm）烧结，也不会产生致密 化而形成陶瓷。
Slide - 4
High Confidential
晶须 21000 14000
280 120-140
High Confidential
２.热性能：
指熔点、热膨胀、导热率、热容量。
i.熔点：具有高的熔点，多数在2000℃以上。 ii.热容：改变材料温度水平时所需的热量，通常以比热的形
式给出。气孔率大，热容小。
iii.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6／Ｋ，结构紧密，
能抗熔融金属的侵蚀。用氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强 度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度
为15.0MPa·m1/2，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍。
应用：可代替金属制造模具、
拉丝模、泵叶轮，还可制造 汽车零件。
Slide - 23
High Confidential
（95% Al2O3）和99瓷（99% Al2，比普通瓷高5～6倍； 硬度高，有很好的耐磨性； 氧化铝瓷 耐高温，能在1600℃高温下长期工作； 耐蚀性及绝缘性好； 缺点是脆性大，抗热振性差.
High Confidential
Slide - 20
性能：AL2O3含量越高，性能越好， 用途：工具、量具、模具、轴承、坩锅、热电偶套管等。
陶瓷硬度的测定方法：维氏硬度HV（最常用）、显微硬度Hm、洛氏硬 度HR、莫氏硬度。
Slide - 9
High Confidential
3）强度：
由化学键所决定，室温下陶瓷几乎不产生滑移和位错运动。
Slide - 10
High Confidential
室温下陶瓷很难产生塑性变形，其破坏方式为脆性断裂。 故室温下只有断裂强度σf。
氧化镁/钙陶瓷
通常由热白云石（镁/钙的碳酸盐）矿石除去CO2 而制成，其特 点是能抗各种金属碱性渣的作用，常作炉衬的耐火砖。缺点是热稳 定性差，MgO在高温下易挥发，CaO甚至在空气中就易水化。
氧化铍陶瓷
氧化铍陶瓷最大的特点是导热性好，具有很高的热稳定性，抗 热冲击性较高，经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。
对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。
Slide - 16
High Confidential
第二节
常用陶瓷
Ceramic in Common Use
Slide - 17
High Confidential
一、普通陶瓷：
粘土（Al2O3·2SiO2·H2O）
原材料
长石（K2O.Al2O3.6SiO2；Na2O.Al2O3.6SiO2） 石英（SiO2） 坚硬，不氧化、不导电，成型性好， 耐1200℃高温，成本低廉。 强度低，高温下玻璃相易软化。 日用陶瓷
膨胀系数大。
iv.热传导：在一定温度梯度下热量在材料中传递的速率。 ｖ.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。
Slide - 14 High Confidential
陶瓷材料因高熔点、高硬度、较好的化学稳定性、
很强的抗氧化性，广泛用作高温材料。
例：
特殊的冶金坩埚：BeO、AlN、 火箭、导弹的雷达保护罩：
Slide - 12
High Confidential
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
尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度越高。 不同截面大小陶瓷的强度值：MPa 块状 Al2O3 Si3N4
Slide - 13
纤维 2100
Slide - 26
High Confidential
按制造工艺分：热压烧结氮化硅（β- Si3N4）陶瓷； 反应烧结氮化硅（α- Si3N4）陶瓷。
热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应
烧结氮化硅陶瓷有20%～30%气孔.
烧结工艺 反应烧结
优点
缺点
烧结时几乎没有收缩，能得 密度低，强度低，耐蚀性 到复杂的形状 差 用较少的助剂就能致密化， 只能制造简单形状，烧结 强度、耐蚀性最好 助剂使高温强度降低
弹性模量 ×105MPa
46.5
4.5
3.9
9.4
3.54.5
22.1
Slide - 8
High Confidential
2）硬度：
硬度是陶瓷材料重要的力学性能参数。
陶瓷具有高硬度，大多在HV1500以上。 氮化硅和立方氮化硼（70） 接近金钢石（90）的硬度， 淬火钢：500-800HV。
陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。
Slide - 24
High Confidential
Slide - 25
High Confidential
2、氮化物陶瓷：
氮化硅陶瓷：
以Si3N4为主要成分的陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组 成的共价键固体。
氮化硅的制备:
工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO
缺点：脆性大、抗热震性差。
氧化铝陶瓷的性能
牌号 AL2O3（％） 相对密度 硬度 （莫氏） 抗压强度 Mpa 1800 2000 2500 抗拉强度 Mpa 150 180 250