陶瓷与刚玉关系系数
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第三单元 化学与材料的发展
古老的硅酸盐材料陶瓷
原始瓷 白釉瓷器 黑瓷 素三彩
传统的硅酸盐材料一般以粘土、石英、钾长石和钠长 石等为主要原料生产的。这些原料中一般都含有硅氧 四面体。硅氧结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多 具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、 耐腐蚀等特点。
空气用量与彩釉颜色变化
-Al2O3
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。
•
陶瓷材料的结合键特点
• 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化 物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如 Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。
• 陶瓷材料的性能特点
• 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性 ，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 • 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损 、强度高等特点。 • 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。
高熔点氧化物陶瓷
高熔点氧化物陶瓷通常是指熔 点超过SiO2熔点（1728℃）的氧化 物，大致有60多种，其中最常用的 有Al2O3、ZrO2、MgO、BeO、 CaO和SiO2等六种。 这些氧化物在高温下具有优良 的力学性能，耐化学腐蚀，特别是 具有优良的抗氧化性，好的电绝缘 性，所以得到广泛的应用。
导电陶瓷
• 定义：在一定条件（温度、压力等）下 具有电子（或空穴）电导或离子电导的 陶瓷。 • 材料：
– 氧化物或碳化物半导体：电子或空穴电导 – ZrO2，-Al2O3，铬酸镧：离子电导
• 用途：陶瓷高温发热体、钠硫电池等
Na--Al2O3导电陶瓷的物理性质
熔点 密度 晶粒尺寸 管子爆破压力 350 ℃时的电阻率 膨胀系数(0~400 ℃) Na/Na电池最高寿命 Na/S电池最高寿命 ~2000℃ 3.2 g/cm3 ＜10 m 28 ±9 MPa 8.6 · cm 6.73× 10-6/ ℃ 2300 A· h/cm2 120A· h/cm2
生物陶瓷
生物陶瓷是用于 人体器官替换、修补， 及外科矫形的陶瓷材 料。主要包括羟基磷 灰石、氧化铝、生物 活性玻璃陶瓷等。 羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷的用 途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。 主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金 属支撑加强的牙科种植体。
功能陶瓷
电绝缘陶瓷的性能要求
1）高体积电阻率（r >1012· m），高介电强度（>104kV/m ） ：减少漏导损耗，承受较高电压； 2）介电常数小（通常 <9）：减小不必要的分布电容值，减小 介电损耗； 3）高频电场下介电损耗小（tg =2×10-4-9×10-3)：减小材料 发热，提高稳定性，避免性能衰减； 4）机械强度高：要求抗弯强度45-300MPa，抗压强度4002000MPa； 5）化学稳定性良好：耐风化，耐腐蚀，不致性能老化； 6）耐机械冲击和热冲击：热膨胀系数小，热导率高。
陶瓷的分类
1. 结构陶瓷
• (1) 耐高温、高强度、耐磨损陶瓷 • (2) 耐高温、高强度、高韧性陶瓷 • (3) 耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷
2. 功能陶瓷
(1) 导电陶瓷
(2) 介电陶瓷
(3) 压电陶瓷 (4) 半导体陶瓷 (5)电绝缘陶瓷
• (4) 生物陶瓷
透明陶瓷
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 键、共价键的混合键；
功能陶瓷(functional ceramics)材料是以
特
定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、 磁）作用而显示出独特功能的材料。
导电陶瓷、介电陶瓷、 压电陶瓷
电绝缘陶瓷种类
氧化物体系：氧化铝， 氧化镁，氧化铍，刚玉瓷，刚 玉-莫来石瓷，莫来石瓷，钡长石瓷，镁橄榄石瓷，块 滑石瓷，尖晶石瓷，堇青石瓷，硅灰石瓷，锆英石瓷 多元氧化物体系： Al2O3-SiO2体系 CaO-Al2O3-SiO2体系 MgO-Al2O3-SiO2体系 BaO-Al2O3-SiO2体系 ZrO-Al2O3-SiO2体系 单晶电绝缘陶瓷：合成云母，尖晶石，氧化铍，石英 等(M-A-S系)， (B-A-S系) 氮化物体系：氮化硅，氮化硼，氮化铝
Na--AБайду номын сангаас2O3导电陶瓷的用途
• 可以用来制作钠硫电池和钠溴电池的隔膜材料，用于 电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器等。 组成为Na2O· 11Al2O3或CaO· 6Al2O3，[NaO]-层、 [Al11O12]+ 类尖晶石单元交叠堆积，氧原子立方密 堆，Na +包含于C轴的松散堆积平面内，是一种含 碱金属( 或碱土金属) 的铝酸盐。 在空气或氢气中1200℃便开始分解，超过1650℃则 剧烈挥发；Naβ - Al2O3 具有层状结构，Na + 能在 层间迁移、扩散和离子交换，在层间的方向具有较 高的离子导电能力和松弛极化现象；而在平行于C 轴的方向上Na + 不能扩散，沿C 轴方向很小甚至无 离子电导。介质损耗大，电绝缘性能差。 良好离子导体，用作电池隔膜材料。
彩釉中的 金属元素 Fe Cu Mn Cr Co 烧制时的空气用量与彩釉颜色 空气过量 黄、红、褐、黑 黄绿 紫、褐 黄、绿、褐 蓝、淡蓝 红 褐、黑褐 蓝绿 蓝 空气不足 蓝、绿
釉料中主要含有一些金属及其化合物。当窑 内空气含量发生变化时，金属及其化合物发 生不同的氧化还原反应，产生不同的颜色， 装扮了多姿多彩的陶瓷制品。
古老的硅酸盐材料陶瓷
原始瓷 白釉瓷器 黑瓷 素三彩
传统的硅酸盐材料一般以粘土、石英、钾长石和钠长 石等为主要原料生产的。这些原料中一般都含有硅氧 四面体。硅氧结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多 具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、 耐腐蚀等特点。
空气用量与彩釉颜色变化
-Al2O3
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。
•
陶瓷材料的结合键特点
• 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化 物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如 Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。
• 陶瓷材料的性能特点
• 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性 ，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 • 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损 、强度高等特点。 • 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。
高熔点氧化物陶瓷
高熔点氧化物陶瓷通常是指熔 点超过SiO2熔点（1728℃）的氧化 物，大致有60多种，其中最常用的 有Al2O3、ZrO2、MgO、BeO、 CaO和SiO2等六种。 这些氧化物在高温下具有优良 的力学性能，耐化学腐蚀，特别是 具有优良的抗氧化性，好的电绝缘 性，所以得到广泛的应用。
导电陶瓷
• 定义：在一定条件（温度、压力等）下 具有电子（或空穴）电导或离子电导的 陶瓷。 • 材料：
– 氧化物或碳化物半导体：电子或空穴电导 – ZrO2，-Al2O3，铬酸镧：离子电导
• 用途：陶瓷高温发热体、钠硫电池等
Na--Al2O3导电陶瓷的物理性质
熔点 密度 晶粒尺寸 管子爆破压力 350 ℃时的电阻率 膨胀系数(0~400 ℃) Na/Na电池最高寿命 Na/S电池最高寿命 ~2000℃ 3.2 g/cm3 ＜10 m 28 ±9 MPa 8.6 · cm 6.73× 10-6/ ℃ 2300 A· h/cm2 120A· h/cm2
生物陶瓷
生物陶瓷是用于 人体器官替换、修补， 及外科矫形的陶瓷材 料。主要包括羟基磷 灰石、氧化铝、生物 活性玻璃陶瓷等。 羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷的用 途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。 主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金 属支撑加强的牙科种植体。
功能陶瓷
电绝缘陶瓷的性能要求
1）高体积电阻率（r >1012· m），高介电强度（>104kV/m ） ：减少漏导损耗，承受较高电压； 2）介电常数小（通常 <9）：减小不必要的分布电容值，减小 介电损耗； 3）高频电场下介电损耗小（tg =2×10-4-9×10-3)：减小材料 发热，提高稳定性，避免性能衰减； 4）机械强度高：要求抗弯强度45-300MPa，抗压强度4002000MPa； 5）化学稳定性良好：耐风化，耐腐蚀，不致性能老化； 6）耐机械冲击和热冲击：热膨胀系数小，热导率高。
陶瓷的分类
1. 结构陶瓷
• (1) 耐高温、高强度、耐磨损陶瓷 • (2) 耐高温、高强度、高韧性陶瓷 • (3) 耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷
2. 功能陶瓷
(1) 导电陶瓷
(2) 介电陶瓷
(3) 压电陶瓷 (4) 半导体陶瓷 (5)电绝缘陶瓷
• (4) 生物陶瓷
透明陶瓷
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 键、共价键的混合键；
功能陶瓷(functional ceramics)材料是以
特
定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、 磁）作用而显示出独特功能的材料。
导电陶瓷、介电陶瓷、 压电陶瓷
电绝缘陶瓷种类
氧化物体系：氧化铝， 氧化镁，氧化铍，刚玉瓷，刚 玉-莫来石瓷，莫来石瓷，钡长石瓷，镁橄榄石瓷，块 滑石瓷，尖晶石瓷，堇青石瓷，硅灰石瓷，锆英石瓷 多元氧化物体系： Al2O3-SiO2体系 CaO-Al2O3-SiO2体系 MgO-Al2O3-SiO2体系 BaO-Al2O3-SiO2体系 ZrO-Al2O3-SiO2体系 单晶电绝缘陶瓷：合成云母，尖晶石，氧化铍，石英 等(M-A-S系)， (B-A-S系) 氮化物体系：氮化硅，氮化硼，氮化铝
Na--AБайду номын сангаас2O3导电陶瓷的用途
• 可以用来制作钠硫电池和钠溴电池的隔膜材料，用于 电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器等。 组成为Na2O· 11Al2O3或CaO· 6Al2O3，[NaO]-层、 [Al11O12]+ 类尖晶石单元交叠堆积，氧原子立方密 堆，Na +包含于C轴的松散堆积平面内，是一种含 碱金属( 或碱土金属) 的铝酸盐。 在空气或氢气中1200℃便开始分解，超过1650℃则 剧烈挥发；Naβ - Al2O3 具有层状结构，Na + 能在 层间迁移、扩散和离子交换，在层间的方向具有较 高的离子导电能力和松弛极化现象；而在平行于C 轴的方向上Na + 不能扩散，沿C 轴方向很小甚至无 离子电导。介质损耗大，电绝缘性能差。 良好离子导体，用作电池隔膜材料。
彩釉中的 金属元素 Fe Cu Mn Cr Co 烧制时的空气用量与彩釉颜色 空气过量 黄、红、褐、黑 黄绿 紫、褐 黄、绿、褐 蓝、淡蓝 红 褐、黑褐 蓝绿 蓝 空气不足 蓝、绿
釉料中主要含有一些金属及其化合物。当窑 内空气含量发生变化时，金属及其化合物发 生不同的氧化还原反应，产生不同的颜色， 装扮了多姿多彩的陶瓷制品。