周5选修课论文封面

课程论文课程名称材料科学与工程导论学生姓名张龙飞系别机械系专业班级11金属（2）班学号1110131082授课教师贺静二O 一三年十二月简述工程陶瓷材料摘要：本文主要对工程陶瓷性能中的力学性能展开描述，如强度、硬度与耐磨性、断裂韧度与增韧、疲劳、抗热震性等。

并简单对陶瓷材料的分类应用进行描述。

陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷，工程陶瓷主要以氧化铝、氮化硅、碳化硅等为主，并简要介绍它们在工程中的应用。

关键字：强度，断裂韧度与增韧，抗热震性等，氧化铝，碳化硅陶瓷材料在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，他和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料之一。

它们之间的主要区别在于化学键的不同，因而在性能上存在很大的差异。

传统的台词制品是以天然粘土我原料，通过混料、成形、烧结而成，其性能特点是强度低而脆。

本文所讨论的主要为工程陶瓷，工程陶瓷是采用高纯、超细的人工合成材料，精确控制其化学组成，经过特殊工艺加工而得到的结构精细、力学性能和热学性能优良的陶瓷材料。

常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝和ZTC。

工程陶瓷的力学性能特点是耐高温、强度高、弹性模量高、耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。

在金属和聚合物因腐蚀和软化而不能使用的服役条件下，工程陶瓷材料充分显示出其性能的优越性。

例如，航空飞机顶首部和高温燃烧室内壁温度均在1500C以上，核电站需要能耐2000C高温的耐热材料，但目前高温耐热合金的极限温度只有1100C，能胜任上述服役条件的材料只有高温结构材料。

在发动机上使用高性能陶瓷材料，除具有高性能的耐磨损、耐腐蚀性能外，还由于这种材料的耐温能力从9000C提高到1200C-1300C，且无需冷却系统，可使冷却效率从过去的30%提高到50%左右，发动机质量减轻20%，耗油量降低30%以上。

由此可见，工程陶瓷材料较好的适应了近代科学技术发展的需要，具有广阔的应用前景。

目前在机械、冶金、化工、纺织等行业中，用工程陶瓷材料制作耐高温、耐磨损、耐腐蚀的零部件越来越多。

一性能热特性：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。

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。

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。

光学特性：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。

力学特性（1）强度陶瓷材料的强度大，陶瓷的实际强度比其理论值小1-2个数量级，只有晶须和纤维的实际强度才接近理论值。

其强度分为抗弯强度、抗拉强度、抗压强度。

（2）硬度与耐磨性工程陶瓷材料硬度高是其优点之一，常用的有洛氏硬度HRA、维氏硬度HV、努氏硬度HK。

工程陶瓷材料的耐磨性也比较高。

陶瓷材料用于耐磨材料还是20实际80年代中期的事。

陶瓷材料的耐磨性不仅远优于金属，而其在高温、腐蚀环境条件下更显示出其独特的优越性。

最重要的耐磨材料是氧化铝、碳化硅、氮化硅、赛隆陶瓷等。

由于陶瓷材料对环境介质和气氛极为敏感，因此在特定条件下还很可能形成摩擦化学磨损。

这是陶瓷材料特有的磨损机理。

这种磨损涉及表面、材料结构、热力学与化学共同作用的摩擦化学问题。

如对非氧化物氮化硅和碳化硅，水和湿度能有效的降低摩擦因数和磨损体积；而对氧化物陶瓷氧化铝，水可能增加或降低摩擦因数和磨损体积，取决于实验条件。

（3）断裂韧度与增韧陶瓷是脆性材料，裂纹一旦产生，极易失稳断裂。

工程陶瓷材料有一系列优异的性能，如优良的高温力学性能、耐磨、耐蚀、电绝缘性好等;但因这种材料在受外力作用断裂过程中，只有单一的增加新的断裂表面的表面能，没有其他消耗能量的渠道，因此其脆性大。

陶瓷材料的增韧一直是材料科学界研究的热点之一。

陶瓷增韧有多种途径，如改善陶瓷显微结构、相变增韧、微裂纹增韧等（4）疲劳在静载荷作用下，陶瓷承载能力随时间而下降的断裂现象。

以及在恒加载速率下，陶瓷断裂对加载速率敏感性的研究，均被纳入陶瓷疲劳范畴。

前者为陶瓷的静态疲劳，后者为动态疲劳。

因此，陶瓷的疲劳包括循环疲劳、静态疲劳和动态疲劳。

研究陶瓷疲劳对于扩大陶瓷材料应用具有重要意义。

（5）抗热震性高温下服役的机件常伴有急剧的加热和冷却情况，在这种条件下使用的高温结构陶瓷，要求具有优良的抗热震性，即材料承受温度骤变而不破坏的能力。

热震破坏分为两类：由热震引起的瞬时断裂，称为热震断裂；在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏，称为热震损伤。

陶瓷材料的抗热震性是其力学性能和热学性能的综合体现，不仅受几何因素、环境介质的影响，同时也取决于材料的强度和断裂韧度。

在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因。

当材料固有强度不足以抵抗热震温度引起的热应力时，将导致材料瞬时热震断裂。

当热应力导致的存储于材料中的应变能足以支付裂纹成核和扩展所需的新增表面能时，裂纹我就形成和扩展。

随着反复的加热、冷却，裂纹扩展，强度急剧降低，机件局部有可能发生剥落或崩裂，这就是热震损伤的过程。

二分类1 普通陶瓷：（1）建筑陶瓷：包括有瓷质砖、锦砖、细炻砖、仿石砖、彩釉砖、劈离砖和釉面砖等。

产品具有良好的耐久性和抗腐蚀性，其花色品种及规格繁多（边长在5c m～100c m间），建筑物内、外墙和室内、外地面的装饰。

（2）卫生陶瓷及卫浴产品：包括有洗面器、便器、淋浴器、洗涤器、水槽等。

该类产品的耐污性、热稳定性和抗腐蚀性良好，具有多种形状、颜色及规格，且配套齐全，主要用作卫生间、厨房、实验室等处的卫生设施。

除此之外，还有搪瓷浴缸、压克力浴缸、浴室等卫浴产品。

（3）美术陶瓷：包括有陶塑人物、陶塑动物、微塑、器皿等。

产品造型生动、传神，具有较高的艺术价值，款式及规格繁多。

主要用作室内艺术陈设及装饰，并为许多收藏家所珍藏。

（4）园林陶瓷：包括有中式、西式琉璃制品及花盆等。

产品具有良好的耐久性和艺术性，并有多种形状、颜色及规格，特别是中式琉璃的瓦件、脊件、饰件配套齐全，用作园林式建筑的装饰。

（5）日用陶瓷：包括有细炻餐具、陶质砂锅。

产品热稳定性好，基本没有铅、镉溶出，具有多种款式及规格，主要作餐饮、烹饪用具。

（6）陶瓷机械：包括有球磨机、喷雾干燥塔、压砖机、辊道窑等建筑陶瓷生产用成套设备。

（7）电工陶瓷：绝缘器件等。

（8）化工陶瓷：试验器皿、耐热容器、管道、设备等。

2 特种陶瓷：（1）氧化物陶瓷：氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。

最常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、SiO2、ZrO3、CeO2等。

(2)碳化物陶瓷：碳化物陶瓷～般具有比氧化物更高的熔点。

最常用的是碳化硅、碳化硼。

碳化物陶瓷在制备过程中应有气氛保护。

(3)氮化物陶瓷：氮化物中应用最广泛的是氮化硼，它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。

另外，AI筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。

最近刚刚出现的C3N4，可望其性能超过Si3O4。

三应用及展望（以氧化铝、氮化硅、碳化硅展开）氧化铝很早纺织用的导线器及火箭用的导流罩，现在还广泛用于氩弧焊机的气体罩、喷砂用的喷嘴等。

利用氧化铝的耐高温性能和耐腐蚀的性能，可用作高温试验的仪器、熔化金属用的坩埚以及高温热电偶套管等，可以制作化工用泵的密封滑环、叶轮等。

利用氧化铝的高温电绝缘性能制作活化塞，取代普通瓷而取得垄断地位。

氮化硅耐高温，又兼有优良的抗热震性能和耐磨性能，可用于制作高温轴承。

因它耐熔融有色金属浸蚀，金属对其不润湿，是测量铝液温度的热电偶套管的理想材料。

氮化硅陶瓷在冶金工业和热加工领域已有广泛的应用。

热压氮化硅用于制作拉拔不锈钢管的浮动芯棒，由于其摩擦系数小，不需要昂贵的润滑系统。

另外，氮化硅可用于制作非铁金属的熔炼和铸造时的铸模、坩埚、马弗炉炉膛、燃烧嘴等；也可用于制作燃气轮机转子的叶片，由于耐高温，可以提高进口燃气的温度和压力，从而提高发动机的动率又降低燃料消耗。

氮化硅的密度只有合金钢的三分之一左右，可以大大减轻发动机的自重，因此已开始用氮化硅制作燃气轮机零件。

碳化硅是温度高于1500C时的良好结构材料，如用于制作火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴以及热电偶套管，炉管等高温零件。

因此，它也适用于制作燃气轮机的叶片轴承等零件。

由于碳化硅热传导能力强，故也可用作高温下热交换器的材料、核燃料的包封材料等。

碳化硅也是一种耐磨材料，常用于制作各种泵的密封圈。

利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。

功能陶瓷种类繁多，用途各异。

例如，根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件，变压器等形形色色的电子零件。

利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤维、光储存材料及各种陶瓷传感器。

此外，陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。

总之，新剂陶瓷材料几乎遍及现代科技的每一个领域，应用前景十分广阔。

参考文献《材料科学与工程导论》，科学出版社《工程材料力学性能》，机械工业出版社。