结构陶瓷材料PPT课件
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CERAMICS MATERIALS
COLLEGE OF MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING CHONGQING UNIVERSITY
重庆大学材料科学与工程学院
第三章 结构陶瓷
❖ 结构陶瓷主要是发挥材料机械、热、化学等效能的 一类先进陶瓷。
❖ 结构陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗 氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性能，可以承受 金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，因 而广泛应用于能源、航空航天、机械、汽车、冶金、 化工、电子等领域。
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重庆大学材料科学与工程学院
氧化铝陶瓷产品
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重庆大学材料科学与工程学院
❖ 氧化铝结晶构造
氧化铝有多种结晶态，到目前为止，已确定的氧化铝结晶 态有α、κ、θ、χ、η、γ、ρ、β 等。β -Al2O3不是纯的氧化铝， 而是Al2O3 与碱金属氧化物或碱土金属氧化物间的化合物，但 习惯上仍视为氧化铝的一种。 α、 β 、γ晶型为氧化铝的三种 主要晶型。
在所有温度下，α-Al2O3是热力学上稳定的Al2O3晶型。氧 化铝的其他多种同素异构体在高温下将几乎全部转化为αAl2O3 。
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重庆大学材料科学与工程学院
氧化铝中，氧的堆积方式有两种：六方最密堆积的ABAB 型与立方最密堆积的ABCABC型；铝的配位方式也有两种：6 个氧的八面体中心位置和4个氧的四面体中心位置。以此组合， 产生了氧化铝结构的多样性。
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重庆大学材料科学与工程学院
➢ (3) β-Al2O3
β-Al2O3的化学组成可以近似地用MeO ·6Al2O3和 Me2O ·11Al2O3表示，其中MeO指CaO、BaO、SrO等碱土金属 氧化物； Me2O指Na2O、K2O、Li2O等碱金属氧化物。
严格地说，β-Al2O3不属于氧化铝，β-Al2O3只是一类Al2O3含 量很高的多铝硅酸盐化合物，具有明显的离子导电性和松弛极 化现象，介质损耗大，电绝缘性能差。它的这些性质决定了其 不能用于结构陶瓷中，在制造无线电陶瓷时也不希望β-Al2O3存 在，但它可以作为快离子导体材料用于钠硫电池中。
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重庆大学材料科学与工程学院
➢ (2) γ-Al2O3
γ-Al2O3是水铝矿及氧化铝矿等氧化铝水化物脱水过程中生成 的过渡氧化铝。
γ-Al2O3属立方晶系，是人工合成的晶型，不稳定，在1100oC 以上温度不可逆地转变为α-Al2O3。
γ-Al2O3具有松散结构，因此表面积极大，对其他物质具有良 好的吸着力，故可用作吸着剂。
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重庆大学材料科学与工程学院
从结构陶瓷的生产和使用的角度来看，在这 三种晶型中最有价值的晶型是α- Al2O3
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重庆大学材料科学与工程学院
α- Al2O3的性质
优良的力学性能
硬度高。莫氏硬度为9，具有优良的抗磨性能，所以广泛 地用于制备刀具、模轮、磨料和各种耐磨件。 抗弯强度高。普通多晶烧结体的抗弯强度可达250MPa,热 压产品的抗弯强度可达500MPa。强度可保持到900 ℃以上 温度。用作一般结构件、保温和耐火材料。
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重庆大学材料科学与工程学院 结构陶瓷的主要应用领域
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重庆大学材料科学与工程学院 结构陶瓷的主要应用领域-续表
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重庆大学材料科学与工程学院
3.1 结构陶瓷的分类
通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类:
使用领域
机械陶瓷 热机陶瓷 生物化工陶瓷 核陶瓷及其他
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重庆大学材料科学与工程学院
机械陶瓷
主要利用其高硬度、高耐磨特性，如机械零件、轴承、 密封件、切削刀具材料、模具等。
热机陶瓷
又称发动机用陶瓷，主要利用其耐热、耐磨损及高强、 高韧特性，如车用耐磨轻量陶瓷部件、隔热、耐热部件、燃 气轮机叶片等。
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重庆大学材料科学与工程学院
生物化工陶瓷
利用耐腐蚀特性以及与生物酶接触化学稳定性好等特性， 如冶炼冶炼有色金属及稀有金属用坩埚、热交换器、生物陶 瓷等。
氮化物陶瓷
主要有氮化硅陶瓷、赛隆（Sialon，Silicon aluminum oxynitride）陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷等。
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重庆大学材料科学与工程学院
碳化物陶瓷
主要有碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷以及碳化 铀陶瓷等。
硼化物陶瓷
主要有硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。
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重庆大学材料科学与工程学院
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重庆大学材料科学与工程学院
➢ (1) α-Al2O3
α-Al2O3亦称刚玉，是氧化铝 结晶态中最稳定者。它是M2O3 氧化物的代表性结构。
α-Al2O3的结构属六方晶系。 正负离子的配位数为6:4，O2-离 子作近似密排六方堆积，Al3+ 位于八面体间隙中，但只填满 这种空隙的2/3。
α-Al2O3的晶格结构
3.2 氧化物陶瓷
❖ 氧化物陶瓷材料可以是一种元素的氧化物（例如 Al2O3、MgO）为基料。也可以在他们的晶格中还含 几种元素的阳离子（例如莫来石陶瓷3Al2O3·SiO2，锆 英石陶瓷ZrSiO4等）
❖ 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（一般都在2000oC附近），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。
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重庆大学材料科学与工程学院 常用氧化物陶瓷及其主要性能
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重庆大学材料科学与工程学院
3.2.1 氧化铝陶瓷
以Al2O3为主成分的陶瓷称为氧化铝（Aluminum Oxide 或 Alumina）陶瓷。
氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料。通常应用于需要承受 机械应力的结果用零件，尤其是利用其高熔点、高硬度、耐 腐蚀、电绝缘性好等特性，作为苛刻条件下使用的结构件。
核陶瓷及其他
利用其特有的俘获和吸收中子特性可作为各种核反应堆 的结构材料使用；与日常生活相关的如陶瓷刀、无磁调试工 具、高尔夫球杆等。
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重庆大学材料科学与工程学院
按组分分类
氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷
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重庆大学材料科学与工程学院
氧化物陶瓷
主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁 陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化钍陶瓷、锆英石陶瓷等。
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第三章 结构陶瓷
❖ 结构陶瓷主要是发挥材料机械、热、化学等效能的 一类先进陶瓷。
❖ 结构陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗 氧化、耐烧蚀、高温下蠕变小等优异性能，可以承受 金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，因 而广泛应用于能源、航空航天、机械、汽车、冶金、 化工、电子等领域。
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氧化铝陶瓷产品
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重庆大学材料科学与工程学院
❖ 氧化铝结晶构造
氧化铝有多种结晶态，到目前为止，已确定的氧化铝结晶 态有α、κ、θ、χ、η、γ、ρ、β 等。β -Al2O3不是纯的氧化铝， 而是Al2O3 与碱金属氧化物或碱土金属氧化物间的化合物，但 习惯上仍视为氧化铝的一种。 α、 β 、γ晶型为氧化铝的三种 主要晶型。
在所有温度下，α-Al2O3是热力学上稳定的Al2O3晶型。氧 化铝的其他多种同素异构体在高温下将几乎全部转化为αAl2O3 。
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重庆大学材料科学与工程学院
氧化铝中，氧的堆积方式有两种：六方最密堆积的ABAB 型与立方最密堆积的ABCABC型；铝的配位方式也有两种：6 个氧的八面体中心位置和4个氧的四面体中心位置。以此组合， 产生了氧化铝结构的多样性。
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➢ (3) β-Al2O3
β-Al2O3的化学组成可以近似地用MeO ·6Al2O3和 Me2O ·11Al2O3表示，其中MeO指CaO、BaO、SrO等碱土金属 氧化物； Me2O指Na2O、K2O、Li2O等碱金属氧化物。
严格地说，β-Al2O3不属于氧化铝，β-Al2O3只是一类Al2O3含 量很高的多铝硅酸盐化合物，具有明显的离子导电性和松弛极 化现象，介质损耗大，电绝缘性能差。它的这些性质决定了其 不能用于结构陶瓷中，在制造无线电陶瓷时也不希望β-Al2O3存 在，但它可以作为快离子导体材料用于钠硫电池中。
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重庆大学材料科学与工程学院
➢ (2) γ-Al2O3
γ-Al2O3是水铝矿及氧化铝矿等氧化铝水化物脱水过程中生成 的过渡氧化铝。
γ-Al2O3属立方晶系，是人工合成的晶型，不稳定，在1100oC 以上温度不可逆地转变为α-Al2O3。
γ-Al2O3具有松散结构，因此表面积极大，对其他物质具有良 好的吸着力，故可用作吸着剂。
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重庆大学材料科学与工程学院
从结构陶瓷的生产和使用的角度来看，在这 三种晶型中最有价值的晶型是α- Al2O3
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重庆大学材料科学与工程学院
α- Al2O3的性质
优良的力学性能
硬度高。莫氏硬度为9，具有优良的抗磨性能，所以广泛 地用于制备刀具、模轮、磨料和各种耐磨件。 抗弯强度高。普通多晶烧结体的抗弯强度可达250MPa,热 压产品的抗弯强度可达500MPa。强度可保持到900 ℃以上 温度。用作一般结构件、保温和耐火材料。
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重庆大学材料科学与工程学院 结构陶瓷的主要应用领域
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重庆大学材料科学与工程学院 结构陶瓷的主要应用领域-续表
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3.1 结构陶瓷的分类
通常根据结构陶瓷的使用领域和组分来对其进行分类:
使用领域
机械陶瓷 热机陶瓷 生物化工陶瓷 核陶瓷及其他
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重庆大学材料科学与工程学院
机械陶瓷
主要利用其高硬度、高耐磨特性，如机械零件、轴承、 密封件、切削刀具材料、模具等。
热机陶瓷
又称发动机用陶瓷，主要利用其耐热、耐磨损及高强、 高韧特性，如车用耐磨轻量陶瓷部件、隔热、耐热部件、燃 气轮机叶片等。
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重庆大学材料科学与工程学院
生物化工陶瓷
利用耐腐蚀特性以及与生物酶接触化学稳定性好等特性， 如冶炼冶炼有色金属及稀有金属用坩埚、热交换器、生物陶 瓷等。
氮化物陶瓷
主要有氮化硅陶瓷、赛隆（Sialon，Silicon aluminum oxynitride）陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷等。
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碳化物陶瓷
主要有碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷以及碳化 铀陶瓷等。
硼化物陶瓷
主要有硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。
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➢ (1) α-Al2O3
α-Al2O3亦称刚玉，是氧化铝 结晶态中最稳定者。它是M2O3 氧化物的代表性结构。
α-Al2O3的结构属六方晶系。 正负离子的配位数为6:4，O2-离 子作近似密排六方堆积，Al3+ 位于八面体间隙中，但只填满 这种空隙的2/3。
α-Al2O3的晶格结构
3.2 氧化物陶瓷
❖ 氧化物陶瓷材料可以是一种元素的氧化物（例如 Al2O3、MgO）为基料。也可以在他们的晶格中还含 几种元素的阳离子（例如莫来石陶瓷3Al2O3·SiO2，锆 英石陶瓷ZrSiO4等）
❖ 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（一般都在2000oC附近），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。
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重庆大学材料科学与工程学院 常用氧化物陶瓷及其主要性能
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3.2.1 氧化铝陶瓷
以Al2O3为主成分的陶瓷称为氧化铝（Aluminum Oxide 或 Alumina）陶瓷。
氧化铝陶瓷为结构陶瓷中典型材料。通常应用于需要承受 机械应力的结果用零件，尤其是利用其高熔点、高硬度、耐 腐蚀、电绝缘性好等特性，作为苛刻条件下使用的结构件。
核陶瓷及其他
利用其特有的俘获和吸收中子特性可作为各种核反应堆 的结构材料使用；与日常生活相关的如陶瓷刀、无磁调试工 具、高尔夫球杆等。
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重庆大学材料科学与工程学院
按组分分类
氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷
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重庆大学材料科学与工程学院
氧化物陶瓷
主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁 陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化钍陶瓷、锆英石陶瓷等。