工程材料学第9章 陶瓷材料PPT课件

1. 刚度 陶瓷刚度（由弹性模量衡量）各类材料中最高，因为陶瓷具
有很强的结合键。
各种常见材料的弹性模量和硬度
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 1171000
硬度/HV 很低 ～17 ～170
300～800 ～3000 6000～10000
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2.玻璃相
玻璃相作用 ① 粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致
密度； ② 降低烧成温度，加快烧结； ③ 阻止晶体转变，抑制其长大； ④ 获得透光性等玻璃特性； ⑤ 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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玻璃相产生过程 a 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
陶瓷在室温下的组织
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硅酸盐结构的规律：
① 构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体； ② 硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结； ③ Si4+离子通过O2-结合, Si-O-Si的结合键在
氧上的键角接近于145°； ④ 稳定的硅酸盐结构中, 硅氧四面体采取最高
空间维数互相结合； ⑤ 硅氧四面体采取比较紧密的结构连结； ⑥ 同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原子。
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二、陶瓷的分类
陶瓷的分类
玻璃
玻璃陶瓷 工程陶瓷 （也叫烧结陶瓷）
1. 玻璃 包括光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃等在内的工业玻璃及
建筑玻璃和日用玻璃等无固定熔点的受热软化的非晶态固体材料；
2. 玻璃陶瓷 耐热耐蚀的微晶玻璃、无线电透明微晶玻璃、光学玻 璃陶瓷等；
3. 工程陶瓷 分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，而金属陶瓷通常被
干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷 的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺（1250℃～1450℃）；烧结是指 烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 （4） 陶瓷烧结的后处理 表面施釉：是通过高温加热，在陶瓷表面烧附一层玻璃状物质使其 表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 （5）陶瓷的加工
因素也比较多。 ➢ 根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。 ➢ 除了多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷的性能不利，降低陶瓷
的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。
●普通陶瓷的气孔率为5%～10%； ●特种陶瓷的在5%以下； ●金属陶瓷则要求低于0.5%。
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五、陶瓷材料的性能
（一）陶瓷的力学性能
硅氧四面体结构
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氧化物
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
岩盐型结构MgO
英石型结构AI2O3
氧化物晶体相
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非氧化合物
●金属碳化物：共价键和金属键之 间的过渡键, 以共价键为主。 ●氮化物：与碳化物相似, 金属性弱 些, 有一定的离子键。 ●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。
氧化物的硬度
碳化物的硬度
பைடு நூலகம்
硼化物的硬度
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3. 强度
晶界使陶瓷实际强度比理论值 低得多（1/1000～1/100）。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。
陶瓷的晶界结构
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4. 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。
体硬化，转变为玻璃。玻璃物质的粘度随温度而变化。 B 玻璃物质的粘度随温度的变化
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玻璃相结构特点
玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组成
不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。
石英玻璃和石英晶体结构
钠硅酸盐玻璃的结构示意图
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3. 气相
➢ 气相是陶瓷组织内部残留下来的孔洞 ➢ 形成原因比较复杂，与原料和生产工艺有密切的联系，影响
为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、精确尺寸或去除表面 缺陷等，常利用磨削、激光以及超声波等加工方法对其进行处理。
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四、陶瓷的典型组织结构
包括三种相：晶体相、玻璃相、气相
1.晶体 晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有
硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们 的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷 的主要性能和应用。硅酸盐是是陶瓷组 织中重要的晶体相，结合为离子键与共 价键的混合键。
第九章
内容提要 ： 本节介绍陶瓷材料的结构与性能。介绍现今意义上陶瓷
材料的分类，简述工程陶瓷的基本工艺过程，介绍普通陶 瓷（包括日用陶瓷和工业陶瓷）、特种陶瓷（氧化物陶瓷、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷）的组成、性能特 点和应用。 学习目标 ： 了解陶瓷材料的结构与性能。熟悉特种陶瓷的性能特点、 改善性能的途径和应用。对其它陶瓷材料作一般了解。
视为金属与陶瓷的复合材料。 陶瓷材料按应用分为: 结构陶瓷材料、功能陶瓷材料。
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三、 工程陶瓷的生产过程
（1）原料制备 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。
（2）坯料成形 将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成
品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形（如形状复杂、精度 要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）。 （3）烧成与烧结
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5. 韧性
(1) 陶瓷是非常典型的脆性材料 冲击韧性10 kJ/m2以下, 断裂韧性值 很低。
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一、陶瓷的概念
传统意义上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪 瓷、耐火材料、砖瓦等。这些材料都是用粘土、石灰石、长 石、石英等天然硅酸盐类矿物制成的。因此，传统的陶瓷材 料是指硅酸盐类材科。现今意义上的陶瓷材料已有了巨大变 化，许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴，不仅在性 能上有了重大突破，在应用上也已渗透到各个领域。所以， 一般认为，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。
弹性模量对组织不敏感；气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。
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2. 硬度
陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。 ●陶瓷硬度为1000 HV～5000 HV； ●淬火钢为500 HV～800 HV； ●高聚物最硬不超过20 HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降低, 但在高温下仍 有较高的数值。