陶瓷材料详解PPT课件

• 坯料制备
通过机械或物理或化学方法制备粉料，在 制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、 纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀 等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料 可以是粉料、浆料或可塑泥团。
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• 成型
将坯料用一定工具或模具制成一定形状、 尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。
• 将分散的晶相粘结在一起； • 降低烧结温度； • 抑制晶相的晶粒长大 • 填充气孔。
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玻璃相熔点低、热稳定性差，在 较低温度下开始软化，导致陶瓷在高 温下发生蠕变，且其中常有一些金属 离子而降低陶瓷的绝缘性。
故工业陶瓷中玻璃相的数量要予 以控制，一 般<20~40%。
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• 陶瓷材料中往往同时存在多种晶相，对陶 瓷性能起决定作用的晶相称主晶相，其余 为次晶相。
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２. 玻璃相
玻璃相是一种非晶态固体， 是陶瓷烧结时，各组成相与杂 质产生一系列物理化学反应形 成的液相在冷却凝固时形成的。
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玻璃相的作用
玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。
硅酸盐矿物为主要原料，如粘土、石
英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、
建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、
多孔陶瓷。
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特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合 物为主要原料的人工合成化合物。
如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。
日用陶瓷
按用途分类
工程结构陶瓷
工业陶瓷
功能陶瓷
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按性能可将陶瓷分
✓ 高强度陶瓷 ✓ 高温陶瓷 ✓ 压电陶瓷 ✓ 磁性陶瓷 ✓ 半导体陶瓷 ✓ 生物陶瓷
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• 特种陶瓷可按化学组成分为 ✓ 氧化物陶瓷 ✓ 氮化物陶瓷 ✓ 碳化物陶瓷 ✓ 金属陶瓷（硬质合金）
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（二）陶瓷制品的生产
陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制 备、成型、烧结
晶体相
玻璃相
气相
各组成相的结构、
数量、形态、大小及分
布决定了陶瓷的性能。
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（一）陶瓷材料的结构
１. 晶相
晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶 瓷的性能起决定性作用。
陶瓷中的晶相的结合键为
离子键
共价键
混合键
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氧化物结构的结合键以离子键为 主，又称离子晶体。
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• 高弹性模量，高脆性。 E=100~400GPa （金属210） 在拉伸时几乎没有塑性，在拉力作用 下产生一定的弹性变形后直接断裂。
σ
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ε
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• 冲击韧性、断裂韧性低 KIC 约为金属的1/60~1/100
45钢
几种材料的断裂韧性
材料
KIC /MPa.m1/2
870℃
1470℃
1713℃
α-石英
α-鳞石英
α-方石英
熔融SiO2
加热 急冷
180~270℃
163℃
573℃
β-石英
β-鳞石英
β－方石英
石英玻璃
117℃
γ-鳞石英
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• 实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体 缺陷，这些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过 程，还影响陶瓷性能。
• 晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉 （ Al2O3 ） 晶 粒 平 均 尺 寸 为 200μm时，抗弯 强度为74MPa，1.8μm时抗弯强度可高达 570MPa。
90
球墨铸铁
20~40
氮化硅陶瓷
3.5~5
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2. 物理与化学性能
• 熔点高 一般在2000℃以上，故陶瓷高温强度和
高温蠕变抗力优于金属。 • 热胀系数小、热导率低
随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导 率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料。
热振性差。
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• 有些陶瓷具有特殊的光学性能
红宝石（α-Al2O3掺铬离子）、钇铝石榴石、 含钕玻璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光
导纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自 控元件的光敏电阻材料。
2.2 陶瓷材料 Ceramics
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陶瓷材料指所有无机 非金属材料。是用天然或 人工合成的粉状化合物， 经成型和高温烧结而制成 的多晶固体材料。
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2.2.1 概述
一、陶瓷材料的分类与生产 （一）分类
按原料来源分：普通陶瓷、特种陶瓷
普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然
Si3N4、SiC、BN等以共价键为主， 称共价晶体。
氧化物结构的主要特点是氧离子 紧密排列构成晶格骨架，组成六方或 面心立方点阵，而正离子位于骨架的 适当间隙之中。
2020年9月2如8日 ：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2 11
硅酸盐结构
结构很复杂，但基
本结构单元为[SiO4]硅氧 四面体，结合键为离子
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（二）陶瓷的性能
1. 力学性能
• 硬度高、耐磨性好;
>1500Hv （ 淬 火 钢 500~800Hv ， 高 聚 物 <20Hv）
• 抗拉强度低，抗压强度较高；
因表面及内部的气孔、微裂纹等缺陷，实 际强度仅为理论强度的1/100~1/200。但抗 压强度高，为抗拉强度的10~40倍。
• 烧结
生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接 烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物 理化学变化及相变，如体积减小，密度增加， 强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制 品达到所要求的物理性能和力学性能。
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二、陶瓷材料的结构与性能特点
陶瓷材料是多相多 晶材料，陶瓷结构中同 时存在
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３. 气相
气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。 是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔 隙率常为5~10%，要力求使其呈球状， 均匀分布。
气孔对陶瓷的性能有显著影响，使 陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿 强度下降，绝缘性降低。
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• 气相可使陶瓷的密度减小，并能 吸收振动；
• 用作保温的陶瓷和化工用的过滤 多孔陶瓷等需要增加气孔率，有 时气孔率可高达60％。
键、共价键的混合键；
每个氧原子最多只 有被两个[SiO4]所共有；
Si-O-Si的键角为145℃;
[SiO4]既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成 链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高
聚物之称。
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• 有些陶瓷中的晶相也存在同素异构转变。
SiO2的同素异构转变