陶瓷材料-3-结构陶瓷
结构陶瓷
按功能，材料分为结构材料和功能材料两大类。 按功能，材料分为结构材料和功能材料两大类。 结构材料 两大类 一种材料主要利用其力学功能时 一种材料主要利用其力学功能时，这种材料被称为 力学功能 结构材料。 结构材料。 如果主要利用其非力学性能时，则被称为功能材料。 如果主要利用其非力学性能时 则被称为功能材料。 非力学性能 力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等 力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等； 强度 而非力学性能主要指声 而非力学性能主要指声、电、光、磁、热和化学等。 热和化学等
3. 1. 2 氧 化 锆 陶 瓷
氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一种很 重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能 如它的断裂韧性高 重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能(如它的断裂韧性高 于氧化铝陶瓷)，因而越来越受到人们的重视。 于氧化铝陶瓷 ，因而越来越受到人们的重视。 在自然界，含锆的矿石，主要有两种，即斜锆石 在自然界，含锆的矿石，主要有两种，即斜锆石(ZrO2)和 和 锆英石(ZrO2·SiO2)。工业氧化锆主要是由含锆矿石提炼出来的。 锆英石 。工业氧化锆主要是由含锆矿石提炼出来的。 高纯ZrO2为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。 为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。 高纯 ZrO
二、氧化铝粉末的制备
氧化铝在地壳中藏量丰富，约占地壳总质量的 氧化铝在地壳中藏量丰富，约占地壳总质量的25%，价 ， 格低廉，性能优良。地壳中的 是以铝土矿的形式存在， 格低廉，性能优良。地壳中的Al2O3是以铝土矿的形式存在， 即一水铝石和三水铝石的形式存在，其中含有 即一水铝石和三水铝石的形式存在，其中含有SiO2、Fe2O3、 TiO2等杂质。 等杂质。 拜尔（ 拜尔（Bayer）法 ） 是工业生产Al 是工业生产 2O3 的主要方法。 的主要方法。
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
（2）刚玉（Al2O3）结构
这种结构的氧离子 （负离子）具有密排 六方的排列，正离子 占据八面体间隙的三 分之二。
具有这种结构的氧化 物有：Al2O3、Fe2O3、 Cr2O3、Ti2O3、V2O3、 Ga2O3、Rh2O3等。
（Ga镓、Rh铑）
热偶套管，淬火钢的切削
刀具、金属拔丝模，内燃
氧 化
铝
机的火花塞，火箭、导弹
陶 瓷
的导流罩及轴承等。
密 封
环
氧化铝陶瓷坩埚
氧化铝陶瓷转心球阀
⑵ 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共
价键固体。
① 氮化硅的制备与烧结工艺
工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化：
其它：
尖晶石型结构（AB2O4）（书P51） 正常尖晶石型结构 反尖晶石型结构（较多见） 这类化合物是重要的非金属磁性材料，
钙钛矿型结构：
这类结构对压电材料很重要。
压电效应：
物质在受机械压缩或拉伸变形时，在它 们两对面的界面上将产生一定的电荷，形成 一定的电势。反之，在它们的两界面上加以 一定的电压，则将产生一定的机械变形，这 一现象称为压电效应。（超声加工中应用）
按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几 种类型：
①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐（岛状结构单元）
其单元体(SiO44－） 互相独立，不发生相 互连接。
化学组成一MgO、CaO、 FeO等。
气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外）
气孔率：普通陶瓷5%～10％
特种陶瓷5％以下
结构陶瓷3(SiC)
发生化学反应,使坯件质量增加,孔隙减小,并烧结 成具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。
α-SiC粉+石墨粉→多孔胚体 液态Si β－SiC
4）反应烧结：通过多孔坯件同气相或液相
反应烧结可制得形状复杂的致密SiC陶瓷， 并且具有良好的抗热震性，同其它烧结工艺比较, 反应烧结在致密过程中的尺寸变化小,可以制造尺 寸精确的制品 烧结体中相当数量游离Si的存在，使得反应 烧结的SiC陶瓷高温性能较差
2.2 SiC的热学性质 的
∗ 只作较粗略计算时，碳化硅的平均热膨胀系数在25～ 1400℃范围内可以取4.4×10-6/℃。SiC的热膨胀系数 测定结果表明：其量值与其他磨料及高温材料相比要 小得多，如刚玉的热膨胀系数可高达(7～8)×10-6/℃ ∗ SiC的导热系数很高，这是SiC物理性能方面的另一个 重要特点。它的导热系数比其他耐火材料及磨料要大 的多，约为刚玉导热系数的4倍
SiC陶瓷 陶瓷
内容提要
∗ SiC晶体结构 ∗ SiC性质 ∗ SiC陶瓷及其应用 ∗ SiC陶瓷的制备
1 SiC晶体结构
∗ SiC主要为共价键，SiC晶体中存在呈四面体空间排列 的杂化键sp3 ∗ SiC晶格结构中单位晶胞：Si-C面配位体 ∗ 所有结构均由SiC四面体堆积而成，所不同的只是平 行结合或者反平行结合
2）热压烧结：将干燥粉料充填入模型内，再从 ）热压烧结
热压烧结工艺只能制备形状简单的SiC部件， 而且一次热压烧结过程中所制备的产品数量很小， 因此不利于工业化生产
3）热等静压烧结 ）
Duna以B和C为添加剂，采用热等静压烧结工艺， 在1900℃便获得了密度大于98%、室温抗弯强度高达 600MPa左右的细晶SiC陶瓷 研究表明：当SiC粉末的粒径小于0.6μm时，即 使不引入任何添加剂，通过热等静压烧结，在 1950℃即可使其致密化 尽管热等静压烧结可获得形状复杂的致密SiC制 品，并且制品具有较好的力学性能，但是HIP烧结必 须对素坯进行包封，所以很难实现工业化生产
结构陶瓷生产工艺
结构陶瓷生产工艺结构陶瓷指的是具有特殊结构和性能的陶瓷材料，用于满足特定工程和技术要求。
结构陶瓷生产工艺包括原料配制、成型、烧成和加工等步骤。
首先，原料的配制是结构陶瓷生产的第一步。
根据需要的陶瓷材料的成分和性能要求，选用合适的原料进行配比。
通常情况下，原料包括粉体和添加剂两部分。
粉体是主要的成分，可以是氧化铝、碳化硅等；添加剂用于改善粉体的流动性和成型性能。
成型是制作结构陶瓷的关键工序之一。
成型方法包括压制、注塑、注浆和挤压等。
压制方法是将颗粒状的陶瓷粉体放入模具中，经过压力的作用使其获得所需形状。
注塑方法是将陶瓷粉体与有机成分（如塑料）混合，加热得到可塑性的混合物，然后通过注射机注入模具中，待成型后再进行烧结。
注浆方法是将陶瓷粉体与水混合，得到可流动的泥浆，然后将泥浆注入模具中，在模具中形成结构陶瓷的绿坯。
挤压方法是将混合好的粉体放在挤出机中，通过机械作用在模具中挤出成型。
烧成是结构陶瓷生产的重要环节。
根据陶瓷的成分和要求，选择适当的烧成温度和工艺参数。
烧成过程中，陶瓷材料在高温下发生化学反应和结晶，从而形成致密的陶瓷体。
烧成过程通常分为升温、保温和冷却三个阶段，需要严格控制温度和时间，以保证陶瓷的质量和性能。
最后，结构陶瓷还需要进行加工和表面处理。
加工包括对烧结好的陶瓷体进行成型、加工和打磨等操作，以获得所需的尺寸和形状。
表面处理可以通过抛光、釉面涂覆等方法对陶瓷的表面进行修饰和美化，提高陶瓷的装饰性和使用寿命。
总之，结构陶瓷生产工艺是一个复杂的过程，需要经过原料配制、成型、烧成和加工等多个步骤。
通过精确控制每个环节的参数，可以获得符合要求的结构陶瓷产品。
陶瓷材料的结构特点和力学性能
近年来的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，可显示 超塑性：
晶粒细小(尺寸小于1um)；晶体是等轴晶；第二相弥散分布， 能抑制高温下基体晶粒的生长；晶粒之间存在液相或者玻璃相。
典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含 Al2O3的ZrO2粉体，成形后在1250oC左右烧结，可获得相对密度 为98％左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.5×10-2s-1应变速率 下，最大应变量可达400％。陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶 界液相流动有关，和金属一样．陶瓷材料的超塑性流动也是扩 散控制过程。
的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
(1-6)
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从
上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害，而
晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响则较为复杂。
温度 陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多。
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出 现明显降低。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那 样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而 减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。
(2) 硬度 硬度是材料的重要力学性能之一，它是材料抵抗局部压力 而产生变形能力的表征。由于结合键存在差异，陶瓷与金属的 硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度(HB)，洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1为典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬 度的方法主要有金刚石压头加载压入法，测试内容主要为洛氏 硬度和维氏硬度（显微硬度）。
先进陶瓷材料第二讲 结构陶瓷材料(I)
金属无机盐 金属有机盐
水解
溶胶
凝胶化 凝胶
煅烧、分散
超微粉体
块体
干燥
陶瓷粉体的制备
基本特点： 均匀性好 纯度高 颗粒较小（凝胶颗粒<0.1µm） 易烧结
是制备纳米粉体的一种常用方法
微乳液法
原理
利用双亲性物 质稳定后得到 的水包油或油 包水型分散系
陶瓷粉体的制备
陶瓷粉体的制备
结构陶瓷材料的制备科学
（一）陶瓷粉体的制备
结构陶瓷材料的制备科学
制备科学的内涵及其重要性
可“靠为性了，实陶现瓷具制有备均科匀学性是和必重使需复用的性效”的能（无60缺年代陷美显国微材料结顾构问，委员提会高材
料领域调研报告）
先进陶瓷材料涉及学科
凝合聚成态与物制理备 固态化学
结晶化学
性能 组成与结构
LiCoPO4 粉体的显微形貌
Bi4Ti3O12 粉体的显微形貌
特点： 产物纯度高 结晶状态好 工艺相对简单 适合于产业化
陶瓷粉体的制备
陶瓷粉体的制备
沉淀法
基本思路 ：
添加沉淀剂
金属盐溶液
盐或氢氧化物 热分解 氧化物粉末
分离
陶瓷粉体的制备
（1）直接沉淀法 BaTiO3制备 将Ba(OC3H7)2和Ti(OC5H11)4溶解在异丙 醇或苯中，加水分解（水解）就能得到 颗粒直径为5-15nm的高纯BaTiO3粉末
胶体化先学进陶瓷材料科学与工程四面体
合成与制备－组成与结构－性能－使用效能
结构陶瓷的制备 原料制备
结构陶瓷材料的制备科学
烧结
坯料制备
后处理
坯体成型
陶瓷粉体的制备
超微粉体的制备方法 结构陶瓷——由晶粒和晶界构成的多晶体 粉体——成型——烧结——多晶体 粉体性质——陶瓷材料性能 粉体制备方法： 固相法 液相法 气相法
结构陶瓷的制备工艺
结构陶瓷的制备工艺结构陶瓷是一种高性能陶瓷材料，具有优良的耐磨、耐腐蚀和耐高温等特性，广泛用于航空航天、汽车制造、电子器件、医疗器械等领域。
它的制备过程涉及材料选择、成型、烧结等多个环节，下面将逐步介绍并详细阐述每个工艺步骤。
首先是材料选择。
结构陶瓷种类繁多，不同应用领域的材料要求各不相同。
常见的结构陶瓷有氧化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆等。
选材时需要考虑材料的物理、化学性质，以及材料的制备成本、可用性等因素。
接下来是成型工艺。
结构陶瓷通常采用粉末冶金法成型。
首先是将所选材料粉末进行研磨，使其颗粒尺寸均匀细小。
然后，在一定比例下将粉末与有机黏结剂混合，形成具有一定塑性的糊状物料。
随后，利用注塑、压制、挤出等成型工艺将糊状物料变成所需形状的陶瓷零件。
成型完成后，接下来是烧结。
烧结是结构陶瓷制备过程中非常重要的环节，通过高温热处理使陶瓷颗粒相互结合，形成致密的结构。
烧结温度和时间的选择要根据具体材料的要求。
在烧结过程中，瓷零件会发生显著的尺寸变化，因此需要进行精确的尺寸控制和形状修整。
最后是后处理工艺。
烧结后的结构陶瓷通常需要经过抛光、涂层、加工等工艺进行优化和改善。
抛光可以提高表面光洁度和平整度，涂层可以提供额外的功能，如降低摩擦系数、增加抗腐蚀性等。
加工则是根据具体应用要求进行加工调整，如钻孔、铣削、研磨等。
结构陶瓷制备工艺中，每个环节都需要精确控制参数，以确保最终产品的质量和性能。
此外，合理的操作和设备选择也对制备过程起到关键作用。
在实际应用中，制备结构陶瓷需要考虑到材料的特性、设计要求和成本效益等因素，通过技术不断创新和改进，才能更好地应对不同领域的需求。
总之，结构陶瓷的制备工艺涉及材料选择、成型、烧结和后处理等环节，每个环节都需要细致精确的操作与控制。
只有通过科学严谨的制备工艺，才能制备出性能优良的结构陶瓷，为各个应用领域提供更好的解决方案。
结构陶瓷材料的应用
Company Logo
工艺相比， 工艺处理在600℃以下 与CVD工艺相比，PVD工艺处理在 工艺相比 工艺处理在 ℃ 对刀具材料的弯曲强度没有影响；薄膜内部为压 对刀具材料的弯曲强度没有影响； 应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层； 应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层； PVD工艺对环境没有不利影响，符合目前绿色工 工艺对环境没有不利影响， 工艺对环境没有不利影响 业的发展方向. 业的发展方向
Company Logo
1.5 超硬刀具
Company Logo
（2）氧化铝 碳化物复合陶瓷刀具 ）氧化铝—碳化物复合陶瓷刀具
氧化铝—碳化物系复合陶瓷是在 氧化铝 碳化物系复合陶瓷是在Al2O3基体中加入 碳化物系复合陶瓷是在 TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2等成分经烧结 、 、 、 、 而成的复合陶瓷体系。 而成的复合陶瓷体系。 在氧化铝—碳化物复合陶瓷刀具体系中发展最早 在氧化铝 碳化物复合陶瓷刀具体系中发展最早 的是Al 复合陶瓷。 的是 2O3—TiC复合陶瓷。这种复合陶瓷刀具， 复合陶瓷 这种复合陶瓷刀具， 由于在基体中弥散了质量分数为15％ 40％ 由于在基体中弥散了质量分数为15％一40％的 硬质纫颗粒TiC，不仅提高了材料的硬度，也提 硬质纫颗粒 ，不仅提高了材料的硬度， 高了断裂韧性。因为当基体中的裂纹受力扩展时， 高了断裂韧性。因为当基体中的裂纹受力扩展时， 必然会遇到TiC颗粒的阻碍，产生偏折拐弯，这 颗粒的阻碍， 必然会遇到 颗粒的阻碍 产生偏折拐弯， 样就延长了裂纹所走的路线， 样就延长了裂纹所走的路线，多消耗了一部分能 因此复合Al 陶瓷刀具的切削性能要 量。因此复合 2O3—TiC陶瓷刀具的切削性能要 比纯Al 刀具提高很多。 比纯 2O3刀具提高很多。
03-结构陶瓷-第3讲
主要结论
陶器的发明，是人类文明发展的重要标志，是人类第 一次利用天然物，按照自己的意志，创造出来的一种崭新的 东西。它揭开了人类利用自然、改造自然的新篇章，具有重 大的划时代的意义。
陶器的历史和发展； 陶器的原料和釉料（成份），工艺（温度，气 氛和设备），性质（力学，热学，光学）的演 变； 三者之间的相互影响的关系……
专题讨论
《古代陶瓷原料成份和制备工艺》
陶瓷的成份
（粘土）成份对最终产品（陶瓷）性能的影响 是很重要的；此外，（烧结）工艺也能影响性 能；而且，（粘土）成份也决定了（烧结）工 艺； 根据目的不同，可以分为三种： 陶土 风化后的岩石又与其他物质混合 具可朔性 较低温 瓷土 高岭土 无杂质 较高温 可朔性低 釉料 高温植物灰 似玻璃 可绘画 釉上釉下
【晶体结构】 常见多型为1Tc型，三斜晶系；P1;a0=0.154 nm,b0=0.893 nm,c0=0.737 nm;α=91°48′,β=104°42′,γ=90°;Z=1。结构属TO型，二八面体型。 层间域没有阳离子或水分子存在，氢键(O—OH=0.289 nm)加强了结构层之间的联结。 在实际的高岭石结构中，由于八面体片(a0=0.506 nm,b0=0.862 nm)与［SiO4］四面 体片(a0=0.514 nm,b0=0.893 nm)的大小不完全相同，因此，四面片中的四面体必须 经过轻度的相对转动和翘曲才能与八面体片相适应。
古代制陶工艺——原料成份
我国古代制陶工艺首先是原料的选择和加工。所 需原料要选择含铁量高、粘性适度、可塑性强的 粘土，一般还要在粘土中加料（石英、长石、砂 石粉末、草木灰、碎陶片末等），目的是增强陶 土的成型性能和成品的耐热急变性能，提高成品 率。原料配制以后，须进行粉碎，以减少其中的 颗粒度，使坯泥细腻。捏练和陈腐是原料加工的 最后工序，以增强坯泥的可塑性。
结构陶瓷名词解释
结构陶瓷名词解释结构陶瓷是一种材料，它是由陶瓷粉末和一些添加剂混合而成的。
这种材料具有高强度、高硬度、高耐磨性、高耐温性等特点，因此广泛应用于机械制造、电子、冶金、化工等领域。
本文将对结构陶瓷的相关名词进行解释。
一、陶瓷基体陶瓷基体是指结构陶瓷中主要的成分，通常是氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅等材料。
这些材料具有高强度、高硬度、高耐磨性等特点，能够满足结构陶瓷在各种应用领域的要求。
二、增强剂增强剂是指在陶瓷基体中添加的一些材料，用于提高结构陶瓷的强度和韧性。
常见的增强剂有二氧化钛、氧化钇、氧化镁等。
这些增强剂能够与陶瓷基体形成一定的化学键合，从而提高结构陶瓷的强度和韧性。
三、润滑剂润滑剂是指在结构陶瓷的制备过程中添加的一些材料，用于减少材料之间的摩擦力，提高制备工艺的效率。
常见的润滑剂有聚乙烯醇、硅油等。
四、烧结烧结是指将结构陶瓷粉末在高温下加热，使其形成一定的化学键合，从而形成致密的陶瓷材料。
烧结温度通常在1000℃以上，烧结时间也比较长，一般需要几个小时甚至几十个小时。
烧结是制备结构陶瓷的关键步骤之一，也是影响结构陶瓷性能的重要因素之一。
五、热处理热处理是指对结构陶瓷进行高温处理，以改善其性能。
热处理温度通常在1000℃以上，热处理时间也比较长，一般需要几个小时甚至几十个小时。
热处理可以改善结构陶瓷的强度、硬度、耐磨性等性能，提高其在各种应用领域的使用寿命。
六、热膨胀系数热膨胀系数是指结构陶瓷在温度变化时长度变化的比例。
由于结构陶瓷具有较低的热膨胀系数，因此能够在高温环境下保持稳定的尺寸和形状，从而在高温环境下得到广泛应用。
七、硬度硬度是指结构陶瓷抵抗刮擦和压缩的能力。
由于结构陶瓷具有较高的硬度，因此能够在恶劣的环境下保持稳定的性能，从而在各种应用领域得到广泛应用。
八、耐磨性耐磨性是指结构陶瓷抵抗磨损的能力。
由于结构陶瓷具有较高的耐磨性，因此能够在高磨损环境下保持稳定的性能，从而在各种应用领域得到广泛应用。
结构陶瓷
10.2.1 氧化铝陶瓷的类型和性能
A12O3陶瓷通常以配料或瓷体中的A12O3的含量来分类，习惯上把A12O3含量在99
％左右的陶瓷称为“99瓷”，把含量95％和90％左右的依次称为“95瓷”和“90 瓷”。 A12O3含量在85％以上的陶瓷通常称高铝瓷，含量99％以上的称为刚玉瓷
或纯刚玉瓷。
2016/6/19 6
按照布拉维格进行考查，则为氧离子
六方晶格与 Be 离子六方晶格的穿插。
BeO 具有较强的共价键性，但其平均
原子量很低，只有12。决定了BeO具有 极高的热导率。
2016/6/19 19
10.3.3 BN瓷
BN与单质晶体碳在结构类型与结构特征上都极其相似。
立方BN和具有纤锌矿结构的 BN都是在高温高压下制备的，是比较典型的共 价键晶体。其键强高、硬度大，平均原子量低(只有12.11)，为热的良导体。 立方 BN 的单晶热导率测定数据尚未见报道，理论估计值应达 13W/(cm· K) 。 立方BN多晶陶瓷材料的热导率已有过2W/(cm· K)的报道。立方BN价格昂贵， 目前不宜用于生产通常使用的高热导陶瓷材料。
构基元种类多和质量高都会增强对晶格波的干扰和散射，从而使热导率降低。 ③ 对于某些层状结构的晶体来说，沿层片方向强的共价键结合可以保证沿
层片方向有高的热导率，但是层片与层片之间弱的结合力，会使沿垂直层片 方向的热导率显著降低。
2016/6/19
17
2016/6/19
18
10.3.2 BeO瓷
氧化铍具有纤锌矿型结构: 氧离子按照 六方最紧密堆积方式排列的六方晶格 , Be 离子处于氧离子堆积结构的半数四 面体空隙内。
2016/6/19
15
根据量子理论，晶格波或热波可以作为一种粒子 ——声子的运动处理，即热波和其他 波一样有波动性，也有粒子性。声子通过晶体结构基元 (原子、离子或分子 )的相互制 约和相互谐调的振动来实现热的传递。可以设想，如果晶体为完全理想结构的非弹性 体，则热可以自晶体的热端不受任何干扰或散射，径直传向冷端，即晶体的热导率可 以很高。但是，事实并是这样。温度非常低的情况下，即使通常的声波也不能在一个 最完整的晶体中径直传播而不受干扰或散射。 任何晶体总有一定的弹性，而晶体中的结构基 元总是处在不断的热起伏中。 在任何一瞬间，晶体内的结构基元都不可能具
结构陶瓷的名词解释
结构陶瓷的名词解释结构陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有优异的力学性能和化学稳定性，被广泛应用于各个领域，尤其在工程结构和航空航天技术中发挥着重要作用。
本文将对结构陶瓷的定义、特性和应用进行详细解释。
一、定义与组成结构陶瓷是一类以氧化物、非氧化物和复合材料为基础的材料，具有具有高强度、高硬度、高韧性和高温稳定性等特点。
它的原子结构呈现出三维的网络结构，主要由非金属离子组成，如氧、硅、铝等。
结构陶瓷在原子排列中存在着离子键、共价键和氢键等多种键合方式，使得其具有独特的力学性能和化学性质。
二、特性1. 高强度与高硬度：结构陶瓷具有良好的抗拉强度、抗压强度和硬度，能够承受较大的力量和压力。
这些特性使得结构陶瓷在高载荷和高温环境下有着出色的稳定性和持久性。
2. 良好的耐磨性：结构陶瓷的表面光滑且硬度高，具有较低的摩擦系数和良好的耐磨性能。
因此，它常被用于制作高速旋转机械部件和耐磨材料。
3. 高温稳定性：结构陶瓷在高温环境下能够保持其力学性能和化学性质。
这使得它能够承受高温应力和化学腐蚀，广泛应用于高温炉窑、火箭发动机和航空航天等领域。
4. 优异的绝缘性和绝热性：结构陶瓷具有较低的热导率和良好的绝缘性能，能够有效隔离热量和电流。
这些特性使得它在电子器件、绝缘子和高温电路等领域应用广泛。
三、应用领域1. 磁性储存器：结构陶瓷常用于磁头、磁场传感器和磁性储存装置等电子器件中，因其低热膨胀系数和高绝缘性能，能够提高设备性能和稳定性。
2. 光学设备：结构陶瓷具有良好的光学透明性和热稳定性，广泛应用于激光器、红外窗口、光纤通信和太阳能电池等领域。
3. 医疗器械：结构陶瓷材料无毒、无味、无放射性污染，被广泛应用于人工关节、牙科修复材料和骨灌注注射等医疗器械。
4. 航空航天技术：结构陶瓷因其耐热、耐磨和高强度等特性，被广泛应用于航空航天发动机、内燃机和航天器的隔热结构中，提高了航空航天技术的性能和可靠性。
结构陶瓷作为一种特殊的材料，具有出色的力学性能和化学稳定性，被广泛应用于各个领域。
新型陶瓷材料在陶瓷行业中的应用
新型陶瓷材料在陶瓷行业中的应用新型陶瓷材料在陶瓷行业中的应用引言：陶瓷是一种古老而又广泛应用的材料，其主要成分为氧化物和非氧化物。
不过，随着科学技术的进步，新型陶瓷材料的发展与应用也越来越受到人们的关注。
新型陶瓷材料具有许多传统陶瓷所不具备的特点，如高强度、高硬度、高耐磨、高熔点等，因此在各个领域得到了广泛的应用。
一、结构陶瓷结构陶瓷是一种稳定的陶瓷材料，其特点是具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、高熔点等优点，常用于高温、高压、高强度的工作环境。
1.1 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷是一种高性能陶瓷材料，具有高强度、高硬度、高耐磨、高熔点等特点。
它在医疗器械、氧化锆球磨介质、蓄电池、制冷空调、电子元器件、化工机械、航空航天等领域有着广泛的应用。
例如，氧化锆陶瓷在医疗器械中被用作人工髋关节、人工牙和人工心脏阀等，因其高强度和生物相容性，能够提供高品质的医疗服务。
1.2 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷是目前知道的最先进的陶瓷材料之一，具有高硬度、耐腐蚀、高熔点等特点。
它可用于制造高温炉具、红外线窗口、刀片、抛光材料和砂浆等。
碳化硅陶瓷在航空航天领域中的应用也日益重要，如航空发动机中的高温热力转换装置和喷气燃烧器等。
二、功能陶瓷功能陶瓷是一类在结构陶瓷性能基础上，加入某些特定元素，使得陶瓷具有特定的物理、化学或生物功能的陶瓷材料。
2.1 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷具有良好的绝缘性能、高硬度、耐磨、耐腐蚀等特点，被广泛应用于电子、石油、冶金、化工等行业。
例如，在电子元件制造中，氧化铝陶瓷常用于制造基板、电子管、放大器等器件。
而在化工行业，氧化铝陶瓷被用于制造酸碱泵、管道等耐腐蚀设备。
2.2 兰州陶瓷兰州陶瓷是一种特殊的功能陶瓷材料，其由高纯度的氧化物和非氧化物组成，具有优良的电学性能和机械性能。
它可以制成各种电子元件，如陶瓷电容器、陶瓷热电偶、陶瓷电阻器等。
兰州陶瓷还广泛应用于红外线窗口、陶瓷粉末冶金、传感器和天线等领域。
三、生物陶瓷生物陶瓷是一种用于人体组织修复和替代的材料，具有优良的生物相容性和生物活性。
陶瓷材料分类
陶瓷材料分类以陶瓷材料分类为标题，本文将介绍陶瓷材料的分类和特点。
一、陶瓷材料的分类陶瓷材料是一类无机非金属材料，根据其化学成分和制备工艺的不同，可以分为以下几类：1. 陶瓷坯体材料：陶瓷坯体材料是制备陶瓷制品的原始材料，通常由粘土、石英、长石等主要成分组成。
根据材料的成分和性质不同，陶瓷坯体材料可分为瓷质坯体、普通陶质坯体和特种陶质坯体。
瓷质坯体主要用于制作高档瓷器，具有高强度、耐高温等特点；普通陶质坯体主要用于制作日常生活用品，如陶瓷碗、盘子等；特种陶质坯体则用于制作具有特殊功能的陶瓷制品，如陶瓷电容器等。
2. 耐火陶瓷材料：耐火陶瓷材料是一种具有高耐高温性能的陶瓷材料，主要由氧化铝、硅酸盐等组成。
耐火陶瓷材料具有优异的耐高温性能和耐化学腐蚀性能，广泛应用于冶金、化工、电力等行业，如耐火砖、耐火涂料等。
3. 结构陶瓷材料：结构陶瓷材料是一种具有优异力学性能和耐磨损性能的陶瓷材料，主要由氧化铝、氮化硅等组成。
结构陶瓷材料具有高硬度、高强度、耐磨损等特点，广泛应用于机械、航空、电子等领域，如陶瓷刀具、陶瓷轴承等。
4. 功能陶瓷材料：功能陶瓷材料是一种具有特殊功能的陶瓷材料，主要包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、陶瓷膜等。
功能陶瓷材料具有电绝缘、磁绝缘、超导等特点，广泛应用于电子、医疗、环保等领域，如陶瓷电容器、陶瓷医疗器械等。
二、陶瓷材料的特点陶瓷材料具有以下几个特点：1. 高硬度：陶瓷材料通常具有较高的硬度，其硬度可达到金属的几倍甚至几十倍，因此具有较好的耐磨损性能。
2. 耐高温：陶瓷材料具有较高的耐高温性能，能够在高温环境下保持稳定的物理性能和化学性能。
3. 耐腐蚀：陶瓷材料具有较好的耐腐蚀性能，能够在酸碱等腐蚀性介质中保持稳定。
4. 电绝缘：陶瓷材料具有较好的电绝缘性能，广泛应用于电子领域。
5. 导热性能差：陶瓷材料的导热性能较差，热传导能力较弱。
6. 脆性大：陶瓷材料的脆性较大，不具有塑性和韧性，容易发生断裂。
结构陶瓷
裂纹尖端处应力集中情况如图所示，格里菲斯推导出有 裂纹尖端处应力集中情况如图所示 格里菲斯推导出有 裂纹材料的断裂强度：
σ=
2 Eγ s πC
C——裂纹长的一半
材料中裂纹的长度远远大于原子间距， 所以实际材料的强度当然远远低于理论 强度。
图 Ⅰ型裂纹前端的应力场
在实际材料中存在的孔隙、裂纹、夹杂和其他缺陷均可视 在实际材料中存在的孔隙 裂纹 夹杂和其他缺陷均可视 为格里菲斯模型中的裂纹。事实上，在不同的脆性材料中 裂纹的分布服从统计规律，那么材料的强度也服从概率分 布，这一分布最早由韦伯得出：
这些材料已被制成发动机缸盖、底盖、缸套上圈、气门导管、阀座、 材 机 底 套 座 挺柱排气导管，活塞顶等20余种零件，特别是形状最复杂的陶瓷转子 也能制成。
第一节 第 节 概述
常用的高温结构陶瓷有： 常用的高温结构陶瓷有 高熔点氧化物：如A12O3、ZrO2、MgO、BeO等，它们的熔 点 般都在2000℃以上； 点一般都在 ℃以上 碳化物：如SiC、WC、TiC、HfC、NbC、TaC、B4C、ZrC 等； 硼化物：如HfB2、ZrB2等，硼化物具有很强的抗氧化能力； 氮化物 如Si3N4、BN、AlN、ZrN、HfN等以及Si3N4和 氮化物：如 A12O3复合而成的Sialon陶瓷，氮化物常具有很高的硬度； 硅化物：如MoSi2、ZrSi等，在高温使用中由于制品表面生成 等 在高温使用中由于制品表面生成 SiO2或硅酸盐保护膜，所以抗氧化能力强。
金属材料和陶瓷材料应力-应变曲线比较
陶瓷材料形变的另一特点是：压缩时的弹性模量大大高于拉伸时的弹 性模量 即E压»E拉。与此同时，陶瓷材料压缩时还可以产生小量的压 性模量，即 与此同时 陶瓷材料压缩时还可以产生小量的压 缩塑性变形。通常，金属材料，即使是很脆的铸铁，其抗拉强度也有 抗压强度的1/3～1/4，但陶瓷材料的抗拉强度常常不到抗压强度的 1/10。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
当从高温冷却到四方相转变温度，由于存在相变滞后现象， 大约要在1050oC左右，即偏低100oC，才由四方相转变为单斜 相，这一转变为马氏体相变。
②氧化锆陶瓷
由于氧化锆的三种不同晶型间存在密度差，升降温过程伴 随着相变，产生较大的体积变化。如四方氧化锆与单斜氧化 锆之间的转变伴随有7%～9%的体积变化。
具备多种相变的陶瓷材料，很难抵抗热冲击
①氧化铝陶瓷
普通氧化铝陶瓷：
是以Al2O3为主要成份的陶瓷。按Al2O3 含量不同可分为99瓷、 95瓷、 90瓷、 85瓷 。有时也将Al2O3 含量为80 wt.%和75 wt.%也列入普通氧化铝陶瓷。
99氧化铝陶瓷常用作坩埚、耐火炉管及特殊用途的耐磨材料 如轴承、密封件、水阀片等； 95氧化铝陶瓷主要用作各种要求中等的耐腐蚀、耐磨部件； 85氧化铝陶瓷组份中通常加入部分滑石，形成与硅酸镁共溶 所组成的以刚玉瓷为主晶相的高铝瓷。是电真空装臵器件中 采用最广泛的瓷料。
ZrO2
1700
MgO作为助烧剂的作用机制 MgO的作用与其加入量有关：
当加入量不超过MgO在Al2O3中的固溶度（<0.3wt%）时， 固溶反应： 2MgO →2MgAl '+2O0x+V0••
生成氧空位，有利于氧的固相扩散传质，从而促进烧结
当MgO的加入量大于固溶度时，未溶解部分与Al2O3反应： MgO +Al2O3→MgO•Al2O3(尖晶石) 尖晶石是新的化合物。尖晶石颗粒分布于Al 2O3主晶相的 晶界上，阻碍晶界移动（称之为钉扎晶界），从而阻碍由于 晶界移动过快导致的气孔进入晶粒内部的情形发生。 气孔在晶界上通过晶界扩散更容易排除。钉扎晶界的结果 还可以细化晶粒。
SiC和O2之间可能发生的一些反应的吉布斯自由能变化值
序号
1 2 3 4 5 6 7 8
化学反应式
25oC SiC+2O2→ SiO2+CO2 SiC+3/2O2→ SiO2+CO SiC+2O2→ SiO2+C SiC+3/2O2→ SiO+CO2 SiC+O2→ SiO+CO SiC+1/2O2→ SiO+C SiC+O2→ Si+CO2 SiC+1/2O2→ Si+CO
SiO2作为助烧剂的作用机制
SiO2与 Al2O3 可以形成液相
之间在1595oC
SiO2
Al2O3
与氧化铝形成液相的物质及出现液相的最低温度
形成液相的物质 BeO CaO CeO2 MgO ThO2 TiO2 出现液相的最低温度(oC) 1900 1400 1750 1930 1750 1720
③碳化物陶瓷
碳化物陶瓷的主要特点：
高熔点，例如TiC的熔点为3460oC
较高的硬度，例如碳化硼的硬度仅次于金刚石 良好的导电性和导热性以及良好的化学稳定性。
碳化物陶瓷作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料、耐 腐蚀材料在诸多工业领域中获得广泛应用。
③碳化物陶瓷
SiC的氧化行为
SiC在热力学上很容易与氧气发生反应。
①氧化铝陶瓷
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。
ΔGT(kJ/mol)
1627oC -901.2 -783.2 -505.0 -604.6 -486.6 -208.4 -361.9 243.9 -1168.2 -910.9 -773.6 -460.7 -203.3 -66.1 -342.7 -85.4
④氮化物陶瓷
Si3N4的基本结构单元为[SiN4] 四面体，Si原子位于四面体的 中心，N原子位于四个顶点，每 三个四面体共用一个N原子，形 成三维空间上的连续而坚固的 网络结构
②氧化锆陶瓷
氧化锆晶体结构及相变特性
氧化锆存在三种稳定的多型体：单斜相（m-ZrO2 ）、立方 相（c-ZrO2 ）和四方相（t -ZrO2 ）。
氧化锆的基本物理性能
②氧化锆陶瓷
纯氧化锆单斜相在1170oC以下是稳定的，超过此温度转变 为四方相， 温度达到2370oC则转变为立方相，直到2680～ 2700oC发生熔化。整个相变过程是可逆的。
①氧化铝陶瓷
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
特殊的光学特性
对红外线、可见光透明。
用作灯管、红外窗口等。
①氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷的分类
通常按瓷体中Al2O3的百分含量进行分类。可分为两 大类：高纯氧化铝陶瓷和普通氧化铝陶瓷。随着氧 化铝含量的降低，陶瓷的品质降低。
高纯氧化铝陶瓷：
指Al2O3含量在99.9% (wt.)以上的氧化铝陶瓷。熔点为 2050oC，密度为3.98g/cm3，烧结温度在1650oC～1950oC之 间。高纯氧化铝具有优异的化学稳定性和良好的透光性。 可用作钠灯管，在电子工业中可用作集成电路基板和高频 绝缘材料。
Si3N4中的四面体单元
④氮化物陶瓷
Si3N4中两种元素电负性相近，氮化硅晶体 中Si-N之间以共价键结合为主(其中离子键仅 占30%)，键合强度高。氮化硅没有熔点，在 常压下于1870oC升华分解，具有高的蒸汽压 和很低的扩散系数。
④氮化物陶瓷
氮化硅陶瓷是一种先进的工程陶瓷材料。该陶瓷 于19世纪80年代发现，20世纪50年代获得较大规模 发展。该材料具有搞得室温和高温强度、高硬度、 耐磨蚀性和良好的抗热冲击及机械冲击性能，被材 料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良，最 有希望代替镍基合金在高科技、高温领域中获得广 泛应用的一种新材料。
通过以下方法可改善氧化铝的透光性： 提高密度，以减少气孔； 限制气孔的尺寸，使其不与透过光干涉； 限制晶粒尺寸（减少晶粒尺寸），从而限制缺陷尺寸； 提高材料的纯度，以减少玻璃相和杂质相。 采用高纯、细的Al2O3粉为原料，掺杂MgO(0.5wt%),在氢气 氛下烧结。
②氧化锆陶瓷
规律：还原 气氛对烧结更 有利。还原气 氛的影响机理 是增加了氧空 位，促进了扩 散过程。
烧结气氛的影响
透明氧化铝陶瓷
α- Al2O3单晶体是良好的对红外 线、可见光透明的材料。但是以α Al2O3为主晶相的多晶陶瓷通常并非 如此。原因是材料中存在尺度与红 外线、可见光波长相当的缺陷（如 玻璃相、气孔、杂质相等）、晶界， 引起透入光被不断地被散射、反射、 折射、干涉甚至被吸收，最后基本 被消耗在材料内部。
去除杂质，排除工业氧化铝粉中的Na2O等杂质，以提高原 料粉的纯度。
表面处理及精加工
为了排除Na2O，通常要加入适量的添加剂，如H2BO3或NH4F
成品 或AlF3等，加入量一般为0.3%-3% 。
塑化剂 增加成形性能
助烧剂 常加的助烧剂有：SiO2、CaO、MgO、TiO2以及它们的混合 物或化合物。助烧机制有的是产生液相，有的是增加缺陷， 有的是阻碍晶粒长大。
氧化铝陶瓷（alumina ceramics ）是一种以αAl2O3为主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量一般在
75~99.9%之间。通常以配料中Al2O3的含量来分类。
根据Al2O3含量不同，习惯上称为75瓷、80瓷、85瓷、
90瓷、92瓷、95瓷、99瓷等。
①氧化铝陶瓷
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，一般 都在2000oC附近。
球阀 陶瓷手表配件 （表链、表壳 ）
磨介
推剪刀片：为美发推剪、美 容鼻毛剪、体毛剪、修眉刀、 胡须刀、修羊毛刀、宠物剪 毛刀之重要部件 。
陶瓷刀：陶瓷餐刀采用号称 "陶瓷钢"的氧化锆陶瓷材料 精制而成，用于现代厨房， 具有一系列金属刀无法比拟 的优点
各类异形陶瓷件
陶瓷标准块
陶瓷拉线轮
陶瓷柱塞
分选盘、编带盘
②氧化铝陶瓷的制备
煅烧
煅烧 磨细 加塑化剂、助烧剂 原料粉 煅烧是在低于粉体的烧结温度下对粉料进行热处理。氧化 铝粉体煅烧的目的有几下几点： 成型 使γ- Al2O3 转变为α- Al2O3，以减少烧成过程的收缩 量。通常称之为“转相”。若要转变比较充分，煅烧温度应 在1300oC左右。 烧结 修坯 素坯
③碳化物陶瓷
碳化物是一种最耐高温的材料。分为两大类： 一类具有较简单的结构，如TiC、ZrC、WC、SiC、 B4C等；较为稳定，具有很高的熔点和硬度 另一类具有较复杂的结构，如Fe3C、Cr7C3、Cr3C6等。 稳定性要差一些，熔点与硬度稍低，是一般钢铁中重 要的强化相，并以各种复杂的相存在，如(Fe, Mn)3C、 (Fe, Cr)3C等
①氧化铝陶瓷
熔点高
熔点达2050 ℃，抗高温腐蚀，用作各种坩埚、冶金炉 衬等。
优良的化学稳定性
耐磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、 氟化物、硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。
①氧化铝陶瓷
与人体亲和性好
用作人工骨头、人工关节等生物植入体。
绝缘性能好
体电阻率为1.5x1015 Ω· m,电绝缘强度为15KV/mm。 用作绝缘瓷（装臵瓷）、集成电路基片等。
传统氧化锆陶瓷应用主要是作为耐火材料、涂层、油料和 铸造用，但随着对氧化锆陶瓷热力学和电学性能的深入了解， 氧化锆作为高性能结构陶瓷获得了广泛的关注和应用。 随着对氧化锆相变过程深入了解，在70年代出现了增韧氧 化锆材料，使该材料机械性能大幅提高，尤其是室温韧性非 常优异，因此作为热机、耐磨机械部件受到广泛的关注； 此 外，利用氧化锆的离子导电特性，还开发了氧化锆在氧传感 器、燃料电池及发热元件等方面的应用。